水泥基免拆模板混凝土梁受弯性能的研究进展

惠兴智

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

模板工程是现浇混凝土结构施工的重要组成部分，在总工程中占据较大的比例，一般占工程总造价的30%左右、占总工期的40%左右[1]。同时，传统模板存在周转次数少、现场流程复杂、效率低等缺点，且模板易发生变形，导致模板密封不严，造成混凝土漏浆、混凝土构件表面不平整、构件变形等工程质量问题[2]。因此，探索新型的模板体系尤为重要，而使用免拆模板为改进传统模板形式提供了一种新的方法。

免拆模板是指在施工阶段起到支撑、定型的作用，在使用阶段作为整个构件的一部分参与受力而无需拆卸的模板。免拆模板的使用可以有效节约人工资源，提高工程的经济效益和社会效益。近些年来，免拆模板逐渐被应用于混凝土建筑中的各个部分，包括混凝土梁、柱、墙体以及板等构件。不少学者也开展了大量相关试验，设计并制作了不同形式的半预制混凝土梁，研究了免拆模板材料及形式对混凝土构件承载力性能的影响[3]。

本文以目前较为常用的U型水泥基模板为研究对象，归纳了该类免拆模板的研究进展和优缺点，总结并分析了普通混凝土（Normal Concrete，NC）免拆模板、纤维编织网（Textile Reinforced Concrete，TRC）免拆模板、超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）免拆模板所制作的混凝土梁的受弯性能。

1 免拆模板混凝土梁的受弯性能

1.1.1 NC免拆模板

Xiao等[4]设计了如图1a所示的U型NC免拆模板。免拆模板的混凝土立方体抗压强度为50 MPa，侧板的厚度为50 mm，高度为梁截面高度的3/5，内部预先架设了受拉纵筋和箍筋，可以在工厂完成免拆模板的制备和养护。试验中开展了现浇混凝土梁与半预制混凝土梁的四点弯曲加载试验，研究了模板的配筋率对半预制混凝土梁受弯性能的影响。研究发现，在加载过程中半预制混凝土梁与普通混凝土梁的跨中截面的梁应变分布与中性轴的垂直距离呈线性，符合平截面假定。另外，随着模板配筋率的增加，半预制梁的破坏模式也从适筋破坏转变为超筋破坏，且相同配筋率下，半预制梁的极限弯矩Mu和普通现浇混凝土梁的Mu仅有0.95%的误差。试验结果说明了U型模板与后浇混凝土的整体性较好，可以作为混凝土梁的一部分参与受力，可以在实际工程中进行推广。

吴方伯团队[5]发现NC免拆模板在实际工程中存在的因长度过大而导致的运输不便以及模板破碎断裂的问题，提出并设计了如图1b、1c所示的拼装式NC免拆模板。该类拼装式免拆模板的混凝土强度等级为C40，并由多个200 mm长的U形模块组成，可运至施工现场采用定位件和螺栓将多个模块进行组装，完成免拆模板的组装和后浇混凝土的浇筑，形成U型拼装模板混凝土梁（见图1d）。通过三点加载试验，对比了半预制梁与普通现浇混凝土梁的受弯性能：在加载过程中，半预制梁跨中截面的应变分布基本符合平截面假定；半预制梁的开裂荷载较小，但两者极限荷载的大小基本一致；半预制梁的裂缝开展位置集中出现在各U形模块的拼接处，裂缝数量较少，且基本沿接缝位置垂直向上发展；最后，两种混凝土梁的荷载-挠度曲线基本一致，承载力性能相当；但是，半预制梁的延性系数和极限挠度相较现浇梁分别低14%和17%。

图1 NC免拆模板梁构造形式示意图[4-5]（单位：mm）

1.1.2 TRC免拆模板

TRC属于一种新型的水泥基纤维增强复合材料，通常采用将纤维编织网材料布设于细粒混凝土内部，以提高混凝土材料的抗弯性能、抗裂性能和延性，并降低整体自重。以TRC为基材制备U型免拆模板，可以提高免拆模板的整体力学性能，降低自重，提高半预制混凝土梁的安全性。

Catherine等[6]选用高强碳纤维粗纱和玻璃纤维粗纱编织网设计了TRC免拆模板，并将其用作免拆底板制备了半预制混凝土梁，具体的截面尺寸和纤维网示意图如图2所示。通过设置不同编织网参数（纤维间距、层数等），开展了梁构件的受弯性能试验。试验发现较高的纤维层数和新旧混凝土的凿毛处理可以使得半预制混凝土梁获得较高的承载力性能和变形能力。另外，使用玻璃纤维织粗纱可以提高免拆模板混凝土梁的极限承载力，但是延性则有所下降。试验证实了该TRC预制底板作为混凝土梁免拆模板的可行性。但是，在施工过程中仍需要侧模来进行新拌混凝土的浇筑工作，增加了施工成本，降低了施工效率。

图2 NC免拆模板梁构造形式[6]（单位：mm）

Yin等[7]则提出了将TRC与U型免拆模板相结合的思路，制备了如图3所示的25 mm厚的TRC免拆底模板和25 mm厚的U型TRC免拆模板，用以制作半预制混凝土梁，并开展对比试验分析现浇混凝土梁与两种半预制混凝土梁的受弯性能的区别。在破坏模式上现浇混凝土梁为适筋破坏。TRC免拆底板混凝土梁的破坏主要是TRC底板的脱离，造成加载过程中中性轴上移，加速了试件的破坏。TRC-U型免拆模板混凝土梁的破坏模式与现浇混凝土梁相似，裂缝发展和挠度发展均较慢，未出现模板脱落问题；在承载力性能上，使用TRC底板和TRC-U型模板分别提高了50%和60%的开裂荷载。另外，TRC底板梁的极限承载力与现浇混凝土梁基本一致，而TRC-U型梁的极限承载力则提高了10%。试验说明了TRC-U型免拆模板可以较好地与后浇混凝土形成良好的整体，有效提高了半预制混凝土梁的承载力性能。

图3 TRC-U型免拆模板梁截面形式示意图[7]（单位：mm）

1.1.3 UHPC免拆模板

UHPC作为新一代的高性能混凝土材料，具有优异的力学性能和耐久性，抗压强度可达100 MPa以上。将UHPC用于U型免拆模板的制作，可以大大降低预制模板的厚度，降低运输和建造成本[8]，可以实现较好的经济效益和社会效益。

梁兴文等[9]基于UHPC优异的力学性能，制作了如图4a所示的U型免拆UHPC模板。UHPC模板由2块等长的10 mm UHPC侧板和一块10 mm厚度的底板拼接而成。通过四点弯曲试验比较了现浇混凝土梁和免拆模板混凝土梁的受弯性能，发现免拆UHPC模板梁具有较好的整体性，跨中截面的纵向应变分布基本符合平截面假定，受弯性能与现浇混凝土梁相似。首先，UHPC模板与后浇混凝土黏结性能较好，在加载过程中未出现明显的滑移和剥离现象，仅在梁破坏后出现了底板脱离现象。对于梁的承载力性能，10 mm厚度免拆模板的使用便能够有效提高半预制梁的刚度，并使同截面尺寸的普通混凝土梁提高约50%的开裂荷载和12%的极限抗弯承载力。

图4 UHPC免拆模板梁截面形式示意图（单位：mm）

Dong等[10]设计了不同厚度的U型UHPC免拆模板，测试了3种相同截面尺寸的BFRP筋混凝土梁构件的承载力，研究了不同UHPC模板厚度对混凝土梁受弯性能的影响。截面形式如图4b所示，现浇混凝土梁的保护层厚度为20 mm，UHPC模板的厚度t取15 mm和25 mm，其中BFRP筋在预制UHPC模板时进行半埋处理，以增加后浇混凝土与模板间的黏结性能。试验结果指出，该形式的UHPC模板可以与后浇混凝土形成良好的黏结，在加载过程中参与承力工作。另外，研究发现UHPC模板的使用主要提升了半预制梁的抗裂性能，提高了约70%，但极限承载力仅提高了约3%，主要是因为UHPC主要在梁截面的边缘，随着荷载的增加，UHPC产生裂缝并逐步退出工作。

2 水泥基免拆模板梁的研究方向和建议

综合混凝土梁U型免拆模板的研究概况，使用水泥基材料制作构件的免拆模板具有一定可行性。但是免拆模板梁作为一种较新的组合结构，目前的研究主要关注免拆模板混凝土梁的承载力性能，其他功能性的研究则相对较少。在此主要根据U型免拆模板混凝土梁的结构特点，提出以下新的研究方向和建议：

a）免拆模板构造的改进。通过上述研究进展可以发现，水泥基免拆模板可以显著提高混凝土梁的开裂荷载，但在提高混凝土梁的极限承载力上并不突出。因此有必要对免拆模板的构造进行改进，通过在模板内部加筋、新旧混凝土界面加肋等措施提高免拆模板的承载力性能，以提高半预制梁的承载力性能。

b）免拆模板混凝土梁的耐久性。免拆模板的使用可以提高梁构件的耐久性[8]，但目前针对水泥基免拆模板混凝土梁耐久性能的研究较少，尤其是针对UHPC免拆模板混凝土梁的耐久性研究。免拆模板梁存在新旧混凝土界面，在腐蚀环境下新旧混凝土的界面可能会存在劣化现象，有必要研究腐蚀环境下免拆混凝土梁的劣化机理。

c）免拆模板混凝土梁的抗火性能。免拆模板的使用可以提高梁构件的耐火性能[8]，可以通过改进免拆模板的材料、构造形式等参数提高模板的耐火性，降低半预制混凝土内部的核心钢筋混凝土的损伤，但目前针对水泥基免拆模板混凝土梁抗火性能的研究较少。

3 结论

水泥基免拆模板可以替代传统模板，有效节约人工资源，加快施工进度，提高工程的经济效益和社会效益。本文概述了U型水泥基模板混凝土梁受弯性能的研究进展，根据相关的研究成果，水泥基免拆模板与后浇混凝土间的黏结性能较好，可以参与梁构件的整体受力，跨中截面的应变分布符合平截面假定。免拆模板混凝土梁的受弯性能优于现浇混凝土梁，采用高性能混凝土材料制备免拆模板可以显著提高半预制混凝土梁的开裂荷载，但是对极限抗弯承载力性能的提升较小。

另外，本文基于目前免拆模板混凝土梁受弯性能的研究现状与不足，针对免拆混凝土梁的结构特点，提出了包括免拆模板构造的改进、免拆模板混凝土梁的耐久性及抗火性能研究的3点建议。