基于低碳经济的视角：新型透水模板试验研究

摘 要：文章基于低碳经济的视角，对新型透水模板试验研究进行了分析，指出自制的透水模板与同类进口产品相比，具有物美价廉的特点，应进一步研制与开发、替代进口产品，从而取得良好的社会及经济效益。

关键词：低碳经济 混凝土浇筑 透水模板 可持续发展

中图分类号：F285 文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2013）02-283-02

一、选题背景

1.混凝土浇筑的特点。混凝土有着复杂的组成，组成混凝土的物质包括胶凝材料、水、粗细骨料及外加剂等多种物质，还有在搅拌浇筑过程中混入的空气。这些物质的状态包括液态、固态乃至我们不希望看到的气态。众多复杂的物质和物质状态意味着影响混凝土性质的因素很多，在这众多因素中，对混凝土性质起决定作用的是胶凝材料和水。而本课题研究的透水模板正是通过改变混凝土拌和物中水的含量来改变混凝土的性质。（1）新拌混凝土中的空气和水。在拌制混凝土的时候，为了获得必要的流动性，常加入较多的水（约占水泥重量的40%～70%）。而水泥水化时所需的结合水一般只占水泥重量的23%左右。多余的水留在混凝土固结完成后留在固体中形成孔洞，这些孔洞对混凝土的强度起着不利的作用。现代混凝土的理论与实践研究表明，混凝土强度的减弱主要是由这部分自由水造成的。

同时在搅拌混凝土的过程中，不可避免地带入一些空气。而凝固在混凝土中的空气将直接形成孔洞，削弱混凝土的质量。与自由水相比，空气对混凝土的施工过程没有什么好处。（2）游离水和气孔对混凝土质量的危害。通常游离水和空气会在硬化后的混凝土中形成空隙等缺陷，由于现有模板材料大多是亲水的，自由水和空气容易在模板表面富集，非常容易在混凝土表面形成这些缺陷。这样不但会给混凝土的表面质量带来直接的影响，更为严重的是这些缺陷会形成深入混凝土内部通道，给混凝土的耐久性带来极坏的影响。

这种缺陷逐渐成为混凝土施工过程中很难避免的通病，因为其由材料特性所引起，并非可以简单地通过改进施工工法所消除。

2.混凝土耐久性与抗渗性。（1）混凝土的耐久性。随着时间的推移，任何材料的物理力学性能都将收到环境因素的作用而发生改变，致使继续使用材料将不安全或者不经济，此时可以认为材料达到其使用寿命。耐久性好的材料，抵抗环境破坏因素的能力强，材料的使用寿命就长，反之就短。

影响混凝土耐久性的因素可分为物理作用和化学作用两类。物理作用主要包括表面磨蚀、冻融及孔隙中盐类结晶压力引起的膨胀开裂等。化学作用则指酸溶液使水泥浆滤析、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、混凝土结构中钢筋腐蚀等。其中钢筋腐蚀的主要形式是电化学反应。

混凝土中的孔隙和水分是影响混凝土耐久性的两个重要因素。侵蚀性介质只有通过孔隙向内部渗透，才能对混凝土产生侵蚀作用。而几乎所有的化学侵蚀都需要水做媒体。

除了水泥浆中存在水和孔隙外，骨料与水泥浆之间的界面和骨料本身也存在孔隙和水。受骨料形状、级配、骨料含量等因素的影响，骨料、骨料与水泥浆之间界面上的孔隙和水，在不同的混凝土中往往有较大的差异。

而富集在模板表面的水和孔隙将主要由模板及脱模剂的性质所决定，这部分水和空气由于是直接影响混凝土外表面质量，对混凝土的耐久性有着至关重要的影响。（2）混凝土的抗渗性。混凝土的渗透性，指液体流过混凝土的流畅性。混凝土的抗渗性指混凝土抵抗压力水的渗透性。显然，混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越强，混凝土的抗渗性就越好。混凝土的耐久性，与水和其他有害化学液体流入其内部的数量、范围有关，因此抗渗性能好的混凝土，其耐久性就高。

混凝土的水灰比越大，水化程度越低，水泥浆体中的毛细孔率越高，水泥浆体含有较多的大孔和连通性良好的孔，混凝土的渗透性就越大。在相同的水灰比下，水化程度越低，混凝土中未水化物及毛细管越大，孔隙率越大。水化程度随混凝土龄期的增长而提高，混凝土的密实性也相应提高。在相同水化程度下，水灰比越大，混凝土的孔隙率越高。（3）空气和游离水对混凝土抗渗性和耐久性的影响。从混凝土发生耐久性损失的原理我们可以看到，混凝土的抗渗性能是一个起主要决定作用的因素，可以从下面一个著名的描述混凝土耐久性损失的图中看到这一因素的重要性。

只有水、环境中的有害因素和混凝土本身一起发生作用才会导致混凝土发生耐久性损失。

混凝土拌和物中含有的游离水和空气则是影响混凝土抗渗性的重要因素，通过以上两个逻辑关系，我们可以看到混凝土拌和物中的游离水和空气是影响混凝土耐久性的重要原因。

3.透水模板应用的意义。（1）使用普通模板浇筑的混凝土。用普通模板浇注混凝土时，由于模板本身有被水浸润的性质，当进行振捣压实操作工序时，新拌混凝土中含有的过量的水分和空气就往模板移动，并在模板内侧聚集。这样表层混凝土就有较高的水灰比。当混凝土硬化后，混凝土的表面强度一般会降低一些，而且表面水分的蒸发会造成在混凝土表面形成蜂窝、孔洞，影响美观。更为重要的是，形成了这些缺陷以后，混凝土表面密实度的降低，会大大影响混凝土的耐久性，进而影响结构的使用寿命，同时也增加了结构的维护费用。（2）使用透水模板浇筑的混凝土。与传统模板的比较，透水模板的特点在于，它能通过一层过滤层把聚积在模板内侧的多余水分和空气排出，同时留住了水泥颗粒。这样就降低了表层混凝土的水灰比，形成坚硬密实的混凝土表层。

透水模板的这个作用可以消除使用普通模板浇筑混凝土产生蜂窝麻面的通病，浇筑出的混凝土光洁密实。

由于使用透水模板不但可以消除混凝土表面的孔隙，而且使得这层混凝土强度提高。这样既提高了混凝土的表面质量，又提高了耐久性，为混凝土抵抗环境侵蚀提供了一道防线。

透水模板在施工工期上也有良好的影响，由于其浇筑混凝土表面水灰比降低，强度发展比较快，使得模板周转时间缩短。

4.清水混凝土的使用现状。清水混凝土的表面质量有很强的未知性，在拆模之前谁也不知道是否有缺陷存在，即使对于最有经验的工程师来说也不知道具体的浇筑情况会是怎样。然而对于清水混凝土来说，失败是不允许的，无论多高明的修补，都会留下很难看的痕迹，甚至直接影响建筑的效果。

另外，混凝土不像钢材、玻璃等质感单纯而明确的材料，它最终的效果取决于材料调配、细部设计，模板的选择、安装、拆除，混凝土的拌制、浇筑、养护等多种因素，也可以说是一种工艺技术。设计者不能只是在图面里标注或指定，在现有的施工技术条件下必须根据自己的设计意图，从材料的选定与调配、模板的选择与安装、混凝土的浇筑与养护等等，事必躬亲，并与施工人员密切配合，才能达到理想的效果。这些要求对于中国建筑师的职能来说超出了很多。

按现有的施工技术条件，要保证清水混凝土的尽量良好的质量必须有一套繁琐的工序与技术组成。

二、透水模板的应用方向

透水模板可以用于环境恶劣的地方，并且适用对混凝土结构耐久性有较高要求的地方。例如由磨损而发生碳化、氯离子侵蚀、化学侵蚀以及易发生冻融的场所和环境。还适用于混凝土表面质量要求高，直接暴露于室外，或要求混凝土表面不产生气泡不必进行装修的场所。具体来讲，透水模板可以使用在以下一些工程部位：

1.水路、河道和海洋结构物。坝、水渠、防波堤、桥墩，这些结构物由于受水流和波浪的冲击而产生磨耗，从而产生冻融循环。海岸构筑物由于氯化物的侵蚀、海水的冲击，也需要提高混凝土表面的质量，增加结构耐久性。在工程中的应用实例有：英国的River Dee estuary桥使用了Zemdrain-MD透水模板。英国南海岸的一些高架桥及水陆结构，如港口和海堤等也使用了透水模板等等。

2.公路建筑。以前有过报道，由于防止路面结冰而撒盐引起公路过早破坏。一般通过改善细部，增加混凝土强度等级或使用硅烷一类的涂料来解决这个问题。然而大量使用硅烷或其它涂料施工工序繁琐，施工质量不易控制。如果普遍提高混凝土等级则会大大增加成本。国外研究表明，应用了透水模板的混凝土对氯化物侵入的抵御性通常比喷硅烷好。也有这一方面的工程实例，日本的静清边路工程高架桥就在桥壁高栏的施工中使用了织物模板。在德国，也有一座桥梁的拱型部分采用了透水模板施工。

3.饮用水和废水建筑。饮用水质量越来越多的严格指标意味着混凝土表面质量非常重要。为了防止藻类和微生物的繁衍产生，减少池壁的气孔是非常必要的。另外，对于许多活性废水，也需要能够抵抗磨损和细菌微生物繁殖的混凝土表面。在德国采用透水模板施工的贮水池，经检验，完全符合控制微生物发生的标准要求。

4.对外观有特殊要求的建筑物。透水模板的一大功能就在于它能获得平整密实光滑的混凝土表面。能够满足一些对外装修有特殊要求的建筑物的需要。同时也免去了装修前平整、修饰等准备工作，节省了大量费用。透水模板无疑可以使建筑师放心使用清水混凝土进行创作，而不用顾及混凝土表面质量、结构耐久性等问题。

三、新型透水模板研制的意义

笔者所在的清华大学已于1995年开始进行透水模板试验与研究，并与国外进口产品进行对比试验。试验结果表明：自制的透水模板与同类进口产品相比，具有物美价廉的特点。如能进一步研制与开发，替代进口产品，将取得良好的社会及经济效益。

目前对CPF原理的研究已经到了一定的深度，但是对于透水模板对混凝土的作用深度等问题研究还比较少，如果通过后续研究把这些细节问题搞清楚，将对透水模板的研究和发展起十分重要的作用。

进口透水模板在中国使用的门槛主要是价格问题。北京2008年举办奥运会时，有大量的奥运场馆和市政设施需要建设，这些结构很大一部分是清水混凝土，这为透水模板的使用提供了良好的机遇和发展空间。除了在北京，国内基础设施市场容量也很大，透水模板的发展有良好发展前景。

四、拟采用技术路线

1.理论分析与试验相结合。对现有实验成果，进行理论分析。构建CPF材料性能与砼耐久性关系模型，提高CPF理论研究水平。

根据试验及理论分析成果，初步确定新型CPF的材料性能及指标，进行试验研究。开发出新型CPF产品，并制定其施工工艺。

2.试验与应用相结合。将研制的新型CPF应用到工程实践中，发挥示范推广作用。

五、研究方案及安排

2005.1～2005.2 理论模型构建及分析

2005.3～2005.4 初选CPF材料及构造

2005.5～2005.7 新型CPF试验

2005.7～2005.8 在实际工程中应用新型CPF

六、工程实例应用

在某新建项目中的地下车库及设备用房中使用CPF，保证清水砼效果。

七、相关技术及产品开发

与新型CPF配套使用的粘合剂、脱模剂、卡扣件、清洗设备等可能是新型CPF系列化、标准化必不可少的组成部分。如能开发出配套使用的产品，对新型CPF的推广应用将有益处。

参考文献：

1.朱嬿，刘慧明.透水模板的试验研究.施工技术，2003（2）：25-26

2.刘慧明.透水模板的试验研究.清华大学硕士学位论文

3.刘刚，武晶.透水模板的试验研究.施工技术，1995（1）：30-32

4.佟声.国外透水模板CPF的应用与研究.建筑技术开发，1998（4）：44-53

5.任玉杰.透水模板对提高混凝土耐久性的试验研究.港口工程，1995（1）：41-46

6.霍荣金.浅谈新材料与新技术在盐田港二期工程中的应用.港口工程，2001（1）：40-43

7.J. Sousa Coutinho，The combined benefits of CPF and RHA in improving the durability of concrete structures， Cement & Concrete Composites 25 （2003） 51 59

8.W.F.Price，S.J.Winddows，透水模板对改善混凝土表面性质的作用

（作者单位：清华大学总务办 北京 100084）

（责编：若佳）