（工程力学专业论文）GRC永久模板在桥梁现浇梁上的应用.pdf

摘要 模板设计是建筑方面的冷f 】，为很多设计入员所忽视。然而模板工程的施工 | 司样要消耗大量的人力、物力、财力，很多情况下对交通也造成堵塞。要节约建 筑成本，加快施工进度，模板的设计就必须得到重视。 由于部分桥梁的梁的现浇施工，模板底部不易设置支撑，而采用的挂蓝施工， 或者是架桥机装配施工，个施工缓慢，一个造价高昂。为了改变这两种弊端， 从寻求新结构形式，新材料，新施工方法三方蕊改进现在的桥梁现浇梁的设计施 工。 随着建筑材料技术的不断进步，越来越多价格低廉的新型高强材料开始在工 程上广泛应用，用以替代传统的建筑材料，以获取建筑成本的降低。与此同时模 板工艺的改进，永久性模板技术开始取代传统的模板技术。和传统模板相比较， 永久性模板作为一种新型的结构功能模板，是在模板中浇筑混凝土后，模板不拆 除，构成构件的一部分，起到承受荷载或保温、隔热等功能作用。g r c 这种新型 材料由于其核心问题耐久性得到了很好的解决，已经从装馋材料逐渐向结构 承重构件材料方向发展，而现在的g r c 材料主要应用于保温板以及墙板。 本文的研究工作就在于将g r c 材料作为功能型永久模板应用于桥梁现浇梁， 讨论其对于现浇混凝土梁的增强作用以及施工效率和经济性问题。 ( 1 ) 讨论g r c 永久模板与混凝土的粘结性能的影响因素，通过试验研究了 g r c 永久模板对于整体结构性能的影响，即：g r c 永久模板对混凝土梁的抗弯强 度有多大的提高； ( 2 ) 在具体的梁的算例中讨论g r c 永久模扳的设计，及其与组合钢模扳在 费用、效率以及功能上的比较； ( 3 ) 讨论g r c 永久模板支架系统的构造安装措施，以及施工的相关技术问 题。 关键词：g r c ；永久模板；桥梁；现浇施工；强度；刚度；无支架施工 a b s t r a c t f o 肌d e s i 星辩i sa no u t s i d e ri nt h eb u i l d i n gd e s i g n ，i g n o r e db yal o to fd e s i g n e r s b 毽搬ef o 燃1 w o 呔sc o n s t r u c t i o nc o n s u m e sal a r g en u m b e ro fm a n p o w e r , m a t e r i f l r e s o u r c e s 缸a n 西a lr e s o b r c e s ，a n dm a ya l s oc a u s et r a f f i cc o n g e s t i o nu n d e r al o to f s i t u a t i o n s s o ，l o w e rc o n s t r u c t i o nc o s t sa n da c c e l e r a t et h ee o n s t r u c t m ns p e e d ，t h ed e s i g n o ff o r mm u s tb ep a i da t t e n t i o n t o b e c a u s e 也eb f a e es t r u to ff o r mi sh a r dt os e ti nt h ec o n s t r u c t i o no fc a s ti np l a c e b e 锄o fs o m eb r i d g e ，c h o o s et h es u s p e n d e dw a g o n o rb r i d g eg i r d e r se r e c t i o ne q u i p m e n t b u tm e 矗r s to n ci ss l o w , a n o t h e rl e a d st oh i g he x p e n s e 。i no r d e rt od e a lt h i ss i t u a t i o n , 遍蚤v et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f c a s ti np l a c eb e a mo fb r i d g ew i t hn e ws t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o n ，n e wm a t e r i a la n d n e wc o n s t r u c t i o n w i t ht h ec o n s r a n tp r o g r e s so fc o n s t r u c t i o nm a t e r i a lt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e n e w t y p eh i g h s t r e n g t hm a t e r i a l so f l o wp r i c eb e g i nw i d e l yu s e do nt h ep r o j e c t ，u s e dt o s u b s 娃抛l e 饿e 据a d 撼。矬a lc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l ，i no r d e rt oo b t a i nt h er e d u c i n go f t h e c o n s t r u c t i o nc o s t m e a n w h i l ea st h ef o r m w o r kt e c h n o l o g yi si m p r o v e d ，t h et e c h n o l o g y o ft h ep e 舢a n e n tf o r mb e g i n st or e p l a c et h et r a d i t i o n a lc a s t i n gb o x c o m p a r e dw i t h t 棚i t 主o n a l 稻蕊s ，a sak i n do fn e w - t y p es t r u c t u r ef u n c t i o nf o r m ，t h ep e r m a n e n t f o r mi s n o t 玎瞄麓o v 迥a f t e rp l a c i n gt h ec o n c r e t ei nt h ef o r m ，f o r m sap a r t o ft h ec o m p o n e n t , p l a y s ar o l ei nb e 撕n gl o a do rk e e p i n gw a r m ，i n s u l a t i n ga g a i n s th e a te t c g r c ，t h i sk i n do f n e wm a t e a l ，b e c 越l s eo ft h ek e yq u e s t i o n s 一一d u r a b i l i t yh a sg o tv e r yg o o ds e t t l e m e n t ， h a sa l r e a d yd e v e l o p e df r o mt h eo r n a m e n tm a t e r i a l st o w a r ds t r u c t u r eb e a t i n g 燃p o n 烈撞 m a t e r i a l 星罩- a d u a l l y ，b u tn o w g r cm a t e r i a lh a sb e e nu s e dm a i n l ya st h e r m a li n s u l a t i o n s l a ba n dw a l lb o a r d 孙es 纯d vo ft h i sp a p e ri sl a i ni nr e g a r d i n gg r c m a t e r i a la st h ef u n c t i o nt y p e 蛰锄麟毽铋tf o r ma n da p p l i e dt oc a s ti np l a c eb e a mo fb r i d g e ，d i s c u s si t se n h a n c e m e n t f u n c t i o na n dc o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c ya n de c o n o m i cq u e s t i o n o nt h ec a s tu lp l a e e c o n c r e t er o o fb e a m ( 1 ) d i s e u s s 斑ei n f l u e n c ef a c t o ro f c o n n e c t i o nb e t w e e ng r cp e r m a n e n tf o r ma n d c o n c | 瞅e 。撼di n v e s t i g a t et h eg r cp e r m a n e n tc a s t i n gm o l da c t i n go n t h ew h o l es t r u c t u r e p e r f 0 m l a n c e ；t h a ti sh o wm u c ht h ef l e x u r a ls t r e n g t hi s i n c r e a s e db yu s i n gt h eg r c p e r m a n e n tf o r m ； f 萄d i s c u s st h ed e s i g no fg r cp e r m a n e n tf o r m ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s t e e lf o r mi ne x p e n s e s ，e f f i c i e n c ya n df u n c t i o no nt h ee x a m p l eo f b e a m ； ( 3 ) d i s c u s st h ec o n s t r u c ti n s t a l l a t i o no fs u p p o r t e ds y s t e mo fg r cp e r m a n e n t f o r m ，a n dt h er e l e v a n tt e c h n o l o g i c a lq u e s t i o n so fc o n s t r u c t k e y w o r d s ：g r c ；p e r m a n e n tf o r m ；b r i d g e ；c a s ti np l a c e ；i n t e n s i t y ；r i g i d i t y ；u n s u p p o r t e dc o n s t r u c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：支t 1 礴夺 日期：2 0 0 8 年4 月2 1 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 量家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：支t 镇售、 指导教师签名。互岛。k 芦 日期：2 0 0 8 年礓月2 l 目 日期：2 0 0 8 年4 月2 l 旦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模板工程及其模板的分类 1 1 1 模板工程简介 混凝土工程【1 】分为现浇混凝土结构工程和预制混凝土构件装配工程两大类， 而混凝土预制构件又分为工厂预制和现场预制两种。在提高工程结构的抗震性能 和现浇混凝土工程技术不断发展完善两大因素的推动下，现浇混凝土结构工程已 成为当今溜凝土工程的主导类型。 现浇混凝结构工程的旎工，又分为模板王程、钢筋工程和混凝土浇筑工程 ( 简称为“混凝土工程) 等3 个分部工程。模板与钢筋的施工程序因结构而异：柱 子和墙体结构一般先绑钢筋、后支模板；而梁板结构则一般先支模板、后绑钢筋。 在模板镧筋或钢筋模板工序之后，进行混凝土浇筑。 模板工程即现浇混凝土结构工程施工中的模板与支架( 支撑系统) 工程，其常用 术语的基本概念可解释如下： 模板工程：为满足各类现浇混凝土结构工程成型要求的模板及其支撑体系( 支 架) 的总称，包括方案设计、配模、支模、浇筑监控和拆模等全郝旄工过程。 模板工程材料：为模板工程中所使用的模板材料、支撑( 支架) 材料以及连接固 定件的材料。 模板：严格意义上的模板，系撬按混凝土结构件的形状设计或可组装成设计 形状的、包括面板及其背楞( 包括边框和分布加劲肋) 的成形模板或可组拼模板。模 板有定型和非定型两种：具有不同规格和构造设计的钢模板、铝合金模板、钢框 胶合板模板和模壳等定型模板产品，一般都是面板与边框和加劲肋的组合体。其 加劲肋的设置，均以确保面板在承受浇筑混凝土荷载时不发生可见的和不能恢复 的变形为原则；恧非定型模板则按模板的分块设计尺寸，内面板和背楞( 一般为木 方) 锯切后组成为适于搬运和拼装的立( 侧) 模、平( 底) 模、筒模和箱模等。模板分块 ( 节) 的大小，不仅要考虑适于相应的搬运和拼装方法( 入工或机械) ，还应考虑模板 的受力要求及与其支撑体系在支承部位( 点) 上的配合要求。 面板：面板为构成模板的、并与混凝面接触的板材。当面板为木、竹胶合 板或其他达不到耐水、耐磨、平整要求的材料时，其表面般都需要做耐磨漆、 涂料涂层或做贴面，以满足表面平整光滑、易予脱模和提高使用寿命( 周转次数) 的要求。“面板 的概念既可用于模板设计及其受力分析，也可用来避免学术名词 和习惯称谓的混淆我国的工程施工管理人员常习惯地将面板材料称为“模板，例 如木模板、胶合板模板和竹胶合板模板等。 模板支撑体系( 模板支架) ：严格意义上的模板支撑体系( 模叛支架) ，系指在模 第一章绪论 2 板本身构造之外的、用于保持支模要求的形状、尺寸同时起到分布、承受、传递 模板工程荷载作用的杆( 构、配) 什和支架体系 1 1 2 模板的分类 按模板或模板面板的材料划分 构成工程模板的面板和背肋( 含边框) 的材料可以相同或不同，不同时则按面板 的材料划分。工程模板按材料划分时，有木模板、覆( 复) 面水胶合板模板( 包括覆 盖涂层和复合面层) 、覆( 复) 面竹胶合板模板、钢模板( 面板为平直钢板或随面钢板) 、 铝合金模板、塑料和玻璃钢模板、预制混凝土薄板模板和压型钢板模板( 成为结构 组成部分的永久性模板) 以及网状钢模板和带孔并内衬特殊织布的透水模板( 属特 种模板) 等。传统的木模板已基本退出使用，当今我国大量使用的是各种规格的覆 ( 复) 面木、竹胶合板模板和钢模板，铝合金模板、塑料模壳、玻璃钢模壳和柱模、 压型钢板模板和预制混凝土薄板模板也有一定的应用或试用。 按模板或模板面板的构造划分 按模板构造可分为有边框背肋模板和无边框背肋模板，后者除专用小口径预 留洞模外，均作面板使用。面板又可分为有覆( 复) 层和无覆( 复) 层而板。覆盖层大 多为塑料涂层，复面或复合层则有塑料面膜、装饰面板以及特殊织布等。 按模板的功能划分 可分为普通模板( 普通成型要求的模板) 、清水模板( 清水混凝土成型要求的模 板) 、装饰模板( 装饰混凝土成型要求的模板，即有装饰条纹、花纹的清水模板) 、 永久性模板( 即不拆除的、作为结构组成部分的混凝土模板和压型钢模板等) 以及带 内保温层模板( 模板的内保温层粘结于混凝土外墙面上，成为外保温墙体的组成部 分，不随模板拆除) 和带外保温层模板( 用于冬季施工要求的保温模板) 。 按模板的成型对象( 结构和构件) 划分 可分为梁模、柱模、板模、梁板模、墙模、楼梯模、电梯井模、筒仓和圆池 模、隧道和涵洞模、壳模、基础模( 包括结构基础和设备基础) 以及桥模、嵌模、渠 ( 航) 道模和护壁模等。 按模板的形状划分 可分为平模( 平面模板) ，圆柱形模板和筒模，拱模、弧面模和曲面模，球面模、 箱( 盒) 模、模壳以及特形模。 按模板的位置和配置作用划分 按模板的位置可分为边模( 侧模) 、角模( 阳角模、阴角模) 、底模、端模、顶模、 洞口模和节点模( 包括牛腿模等) 。 按模板的配置作用可分为标准模、调节模、收分模和缓拆模( 在某种早拆体系 中所设的暂不拆除的条模) 。 第一章绪论 按模板的组拼方式划分 可分为整体式模板( 大模板) 、组拼整体式模板( 用板件在地面拼装好、整体吊 装的模板) 、组拼式模板( 模板规格较小、用人工或简单机具在工程中直接安装的模 板，如组合小钢模等) 、现配式模板( 即用面板和背楞材料直接剪裁配置的模板) 以 及整体装拆式模板。 按模板的技术体系划分 如滑模、爬模、提模、台模一飞模、隧道模、拉模、以及大模板体系和早拆 模板体系等。 1 2 模板研究的重要性 1 2 1 模板研究的经济性 混凝土结构的模板的经济性的研究很有必要，是因为：混凝土结构的模板费 用【2 j ，可能大于混凝土或者钢筋费用；在某些情况下，还可能大于混凝土和钢筋费 用之和，因此，必须寻求一切实用的方法，以减少模板费用。 模板工程的经济性应当从结构设计就开始考虑，并贯穿于模板选材、设计、 安装、拆除、保管及重复使用等环节。 模板的费用包括下列三个项目：材料费、人工费，制作和搬运模板所需的设 备使用费。减少上述项目总费用的任何措施，都会节约金钱。由于购买预拌混凝 土，混凝土费用一般不变，即使有节约，为数也很小。而模板却能够影响实际的 经济效果。 因为模板往往包含复杂的受力情况，模板应当按其他工程结构所要求的设计 方法进行设计。臆断会造成危险和浪费。如果模板设计的过于保守，则造成不必 要的浪费；反过来，模板设计的不足，则可能破坏，也会造成很大浪费。 1 2 2 模板施工的重要性 模板工程决定或主导着混凝土结构的成型尺寸和外观质量 模板按混凝土结构或构件的设计位置和构造尺寸( 包括外形和内部构造如 复杂设备基础内的空间和通道) 支设，不仅在支设时要达到轴线和构造尺寸准确以 及支撑和固定牢靠的要求，而且在浇筑过程中必须能够承受着可能出现的最大荷 载作用( 包括新浇混凝土的自重、侧压力、浇筑时的冲击力和振动荷载等) ，确保不 会出现超过规定的沉降和变形以及开模、跑浆等其他问题，在拆模之后达到混凝 土结构的成型尺寸和外观质量要求。当模板支固不牢时，将会影响浇捣作业要求 的严格执行，会出现振捣不足等影响结构密实的问题。当过早拆除模板支撑时， 将会出现结构裂缝等问题。因此，模板工程不仅决定和主导着混凝土结构的成型 尺寸和外观质量，而且也是实现浇筑质量要求的重要的前提和基础条件。 模板工程是确保混凝土结构施工安全的重点防范部位 第一章绪论 4 模板工程既是混凝土结构工程、也是整个建筑施工中多发事故和重大事故较 多出现的领域。仅近几年来，我国就发生了数起粱板楼( 屋) 盖模板整体坍塌的重大、 乃至特大的伤亡事故，造成数人乃至二、三十人的伤亡和重大财产损失。在模板 工程施工中出现的或者有与模板工程相关的倒塌事故，由于都会造成相当程度、 甚至十分严重的人员伤亡和财产损失，也是模板工程、乃至现场施工中安全保证 设计和安全防范工作的重点。 模板工程是体现企业施工能力和综合水平的重要方面 在现代土木建筑工程中，混凝土结构工程作为基础和主体( 结构) 工程( 在部分 超高层建筑物和高耸构筑物中，与钢结构共同构成主体工程) 而占据极其重要的、 具有主导性的地位，混凝土结构工程的施工集中地反应了企业的施工能力和综合 水平( 所谓施工能力，就是可以承担各种不同类型工程设计、现场条件、施工要求 和技术难度工程的能力；所谓综合水平，就是包括工程施工组织、工程质量、施 工安全、施工速度和工程效益的综合技术和管理水平) 。而模板工程又是在混凝土 结构工程中居于中坚地位的分项工程，是体现企业施工能力和综合水平的重要方 面，这是由于： 1 ) 模板工程在混凝土结构旋工的费用和劳动量中占有较大的比重在一般的梁 板、框架和板墙结构中，费用占3 0 左右，劳动量占2 8 4 5 ；在大坝等大体 积构筑物中比重有所降低，但在隧涵、洞室、高壁、大跨、异形等难度大和复杂 的工程的比重则有所增加。指标的高低取决于模板工程技术的先进性及其施工水 平。 2 ) 模板工程中的主要施工方案和措施常是整个工程施工中的关键技术模板 工程在施工计划网络中，往往都是关键线路的组成部分，决定着工程施工的顺利 与否和施工目标的完满实现。 3 ) 模板工程是先进施工技术的重要的应用和发展领域不仅各类面板、支架和 连接、粘结、密封、复面材料，各种结构、构造和连接方式，各种施工机具和设 施配备，各种旌工方法的优选、改进和完善都在发展之中；而且有关的设计计算、 施工的组织与管理的方法也在发展之中，成为新材料、新结构、新技术、新工艺 不断出现、应用和仍在发展的重要领域。 1 3 国内外模板的发展 1 3 1 模板工程的发展概况 模板工程伴随着混凝土工程的发展而发展，在国内外都己有相当长的历史。 最初的混凝土模板采用木质散板，按结构形状拼装成混凝土的成型模型：这种模 板装拆费时费工，拆模后成一堆散板，材料损耗也大。 2 0 世纪初，开始出现了装配式定型木模板【3 】。根据工程需要，预先设计出一 第一章绪论 套有几种不同尺寸的定型模板，由加工单位进行批量生产；施工时按结构形式， 预先做出配板设计，在现场按配板图进行拼装，拆模后还可以继续周转使用。这 种装配式定型木模板使用了很长时间，至今一些地方仍然在使用。 5 0 年代后半期，在法国等国家开始出现了大型模板【4 】，采用机械代替人工， 进行大块模板的安装、拆除和搬动；用流水法进行施工，从而提高了劳动效率，节 省了劳动力，并缩短了施工工期，这种模板的施工方法很快普及到欧洲各国。 到了6 0 年代开始发展组合式定型模板【5 】，这种模板是在原有装配式定型模板 的基础上加以改进，再加上配套的拼装附件，可以拼装成不同尺寸的大型模板。 由于采用了模数制设计，它既可以一次拼装，多次重复使用：又可以灵活拼装，随 时变化拼装模板的尺寸，因而使用范围更广，成为目前混凝土工程中最主要的模 板形式。 从模板材料的发展过程来看，最早的模板是使用木材制作的。到了1 9 0 8 年美 国最先使用钢模板【6 】，并且很快传入其他国家。起初，钢模板的发展很慢，到了 6 0 年代初，随着钢模板在工程中大量应用，它的优越性逐渐显示出来。一些企业 开始对钢模板的设计、制作和管理等问题进行研究，使得钢模板得到了快速的发 展，从而在建筑工程中大量应用。1 9 6 4 年，美国又研制出铝合金模板，但由于其 价格过高，至今仍未广泛使用。 木胶合板模板在欧美等国较早开始应用：经过酚醛树脂薄膜覆面处理的胶合板 具有材质轻、易加工、板面大、可多次重复使用等特点。目前，在工业发达国家， 木胶合板模板和钢框木胶合板模板己经成为应用最广泛的模板形式，施工使用面 约占6 0 t 7 1 。 6 0 年代中期，日本曾使用a b s 树脂制作塑料模板：这种模板的特点是表面光 滑、易于脱模、重量轻、耐腐蚀等。除此之外，还能根据设计要求，形成独特的 混凝土形状t 引，但由于存在强度低、刚度小、价格比较高等缺点而未能大量应用。 目前主要有用于浇注双向密肋楼板的塑料模壳、用于装饰混凝土表面的塑料衬模 以及其他特殊用途的塑料模板。 7 0 年代以来，欧美、日本国家的模板规格已经形成了各具体色的模板体系。 如适用于各种浇灌混凝土墙体的大模板体系；适用于各种混凝土结构的组合式模 板体系；适用于浇注混凝土楼板、平台的台模体系；适用于同时浇灌混凝土墙体 与楼板的隧道模板体系、适用于简体结构和高层建筑的滑动模板、爬升模板及其 提升模板体系；以及适用于堤坝施工的悬臂模板体系等。在当前模板工程施工中， 大模板体系和组合式模板体系的应用范围最广，使用量最岁9 1 。 1 3 2 中国建筑模板的发展历程 我国在5 0 年代基本上都是使用木质散板和定型木模板，到了6 0 年代初，由 第一章绪论 6 于国内木材资源十分短缺，提出“以钢代木 ，开始发展钢模板。1 9 6 3 年冶金部曾 在马鞍山召开钢模板现场鉴定会，对钢模板的加工制作和使用等进行了交流和总 结。当时钢模板的施工方法和木模板基本相似，但在随后的1 0 多年中，国内不少 单位对钢模板的研制和使用做了大量工作，使得钢模板在我国发展迅速。 到了8 0 年代，在面临钢材、木材市场价格增涨的情况下，一些部门开始寻求 节约能源、钢材和木材的低造价材料来制作模板。不少单位研究和开发了多种人 造材料模板【i 们，在各地工程中得到不同程度的应用，取得一定的效果。虽然这些 模板由于存在各种问题，没能得到大量推广应用，但对探索适合中国国情的新型 模板，起到了重要作用。 改革开放以来，高层建筑飞速发展，钢筋混凝土工程的发展推动了建筑施工 工业化的进一步提高。商品混凝土、泵送混凝土、各种新型的粗钢筋接头工艺、 各种模板体系都有较快的发展，尤其是近年来，在社会主义市场经济的推动下， 形成了许多有关模板的科技成果，这不仅加速了施工进度，也在保证施工质量和 提高效益方面起到了重要作用。 近十几年来，特别是1 9 7 9 年组合钢模板研制成功以来，在国家建设部和地方 各级建设主管部门的关心和支持下，在广大建筑职工和科技工作人员的共同努力 下，中国模板工程技术得到了快速的发展，先后研究开发和推广应用了组合钢模 板、大模板、塑料模板、台模、飞模、爬模、滑模等多种型式的模板。特别是组 合钢模板的研究与应用得到了飞速的发展。 我国传统的模板材料是木材，传统的支模方法是就地加工，散拆散支。进入 8 0 年代，我国建设步伐加快，现浇钢筋混凝土结构得到迅速发展，模板需求量大 增。我国是木材资源贫乏的国家，在“以钢代木”方针的指引下，组合钢模板得 到很快发展，在3 5 年内就成了建筑模板的主体，占现浇钢筋混凝土模板总用量 的7 0 ，施工现场面貌变化很大，人们普遍接受了这种模板，称之为模板技术的 更新换代。1 0 多年来，组合钢模板确实为建筑技术的发展做出贡献。同时，在使 用中也暴露了组合钢模板的一些缺点，如钢模板块体面积小，装拆效率低，混凝 土表面不平，难以达到清水混凝土的要求。国外使用的模板并非清一色的组合钢 模板，更多的是胶合板模板和钢框胶合板模板。而我国胶合板产量不大，质量也 不太好，使之在工程建设中无法发挥更大的作用。但我国竹材资源丰富，竹胶合 板除几何尺寸偏差较大，难以控制外，其他物理力学性能均优于木胶合板。因此， 我国的竹胶板完全可以取代木胶合板作建筑模板。建设部在1 9 9 4 年印发的建筑业 重点推广应用1 0 项新技术的文件中，也把推广应用钢框竹( 木) 胶合板模板作为新 型模板的主体。当时曾有人宣称钢框胶合板模板为“第三代模板”。到1 9 9 5 年， 钢框胶合板模板的应用量占到总量的1 0 左右。但到了1 9 9 7 年以后渐渐走下坡路， 第一章绪论7 近几年步入了低谷。施工企业不欢迎钢框胶合板模板主要是竹胶板面板质量太差， 一般只重复使用1 0 2 0 次就发生分层、开胶，很难达到4 0 次以上，面板质量太差， 钢框质量也不随人意【1 1 1 。 目前，国内外都十分重视模板材料的选择、构造设计和制作等方面的研究。 近年来，出现了不少新的模板体系，总的趋势是，模板体系愈来愈向设计标准化 和专业化方向发展。这对于混凝土结构工程质量的进一步提高，具有十分重要的 社会意义。随着新型材料的不断出现，模板技术将向轻质高强方向发展。 1 4g r c 复合材料综述 1 4 1g r c 复合材料简介 玻璃纤维( 简述玻纤) 和水泥( 或砂浆、混凝土) 组成的一种复合材料【12 1 ，被人们 称为玻璃纤维增强水泥( 或混凝土) 其英文名称缩写是g r c 。在这种复合材料中， 玻璃纤维是配药材料，水泥是基础材料。这种新型建材轻质、高强具有很高的 韧性和抗冲击性能。玻璃纤维增强水泥科学研究的内容有许多方面，其核心是耐 久性问题 2 0 世纪5 0 年代末我国开发玻璃纤维增强水泥未获成功的主要原因是该材料后 期强度下降问题无法解决【l3 1 ，也就是耐久性问题过不了关。中碱玻璃纤维增强硅 酸盐水泥材料耐久性无法过关的主要原因是水泥中c a ( o h ) 2 对纤维的侵蚀作用。 1 9 6 8 年，英国建筑研究所对锆硅玻璃作了研究，首先提出了第一个耐碱玻璃纤维 专利【14 1 ，其耐碱性比一般玻璃纤维有较大提高，与硅酸盐水泥匹配后的试件耐久 性也有所改善，但长期强度仍要下降，只限用于非承重建筑结构。1 9 8 2 年，英国 公布g r c ( 耐碱玻璃纤维c e m f i l 与波特兰水泥制成者) 的十年大气暴露试验结 果【l5 1 ，认为其耐久性尚存在问题。之后，为了解决g r c 的耐久性，英国采用 c e m f i l 2 纤维提高g r c 的耐久性，日本采用低碱度水泥提高g r c 的耐久性并降 低其干缩率16 1 ，德国通过控制水灰比与灰砂比降低g r c 的干缩率f 1 7 】，荷兰掺加聚 合物乳液来降低g r c 的干缩率u s 等等这些办法，不同程度的改善了g r c 制品力 学性能衰减较快和出现干缩裂缝的问题。 2 0 世纪7 0 年代中期，我国确立了耐碱玻璃纤维增强低碱度硫铝酸盐水泥的“双 保险”技术路线。在通过一系列试验基础上得出，耐碱玻璃纤维增强低碱度硫铝 酸盐水泥使用安全期超过1 0 0 年。从此中国玻璃纤维增强水泥的开发工作走上了 成功之路。 近2 0 多年来，国内外学者在提高纤维耐碱性和降低水泥碱度力面做了多种技 术探索。然而，耐碱纤维增强低碱度硫铝酸盐水泥的技术路线至今已成为中国玻 璃纤维增强水泥产业不可动摇的技术基础，在国际上也已被公认为一种有效的、 具有很好前景的技术措施。 第一章绪论 耐碱玻璃纤维 在玻璃纤维增强水泥中应该只使用专门为抵耐碱腐蚀而研制的含有氧化锆的 耐碱玻璃纤维【1 9 】，不应该使用其他玻璃纤维，如高碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维或 无碱玻璃纤维，因为这些玻璃纤维会遭受水泥水化产物c a ( o h ) 2 的破坏作用。三 种玻璃纤维在8 0 。c 波特兰水泥浆液浸泡7 天后的扫描照相以及强度损失，如图1 1 和1 2 所示。 鸭删 普通玻璃纤维中碱玻璃纤维 图1 1 经过8 0 。c 波特兰水泥浆液浸泡7 天的三种玻璃纤维扫描照相( x5 0 0 ) f i g u r e1 1t h es c a n n i n gp i c t u r e so ft h r e ek i n d so fg l a s s f i b r et h r o u g ht h ei m m e r s i o no f8 0 p o r t l a n dc e m e n tg r o u tf o r7 d a y s 磊e t d 磊y 23 4 58 图1 2 经过8 0 。c 波特兰水泥浆液浸泡7 天的三种玻璃纤维强度损失 f i g u r e1 2t h el o s so fs t r e n g t ho ft h r e ek i n d so fg l a s s f i b r et h r o u 曲t h ei m m e r s i o no f 8 0 。cp o r t l a n dc e m e n tg r o u tf o r7 d a y s 耐碱玻璃纤维与普通玻璃纤维的根本区别在于其化学成分的不同，英国、日 本和我国都研制成功了适宜与水泥基体匹配的耐碱玻璃纤维。耐碱玻璃纤维与普 通玻璃纤维的根本区别在于其化学成分的不同，英国是在n a 2 0 c a o s i 0 2 玻璃系 统中引入了z r 0 2 ，我国是在n a 2 0 一c a o s i 0 2 玻璃系统中引入了z r 0 2 和t i 0 2 。玻璃 纤维成分中z r 0 2 和t i 0 2 的含量直接影响玻璃纤维的耐碱性能。国内外几种耐碱玻 璃纤维的化学组成成分，如表1 1 所示；物理力学性能，如表1 2 所示。 耐碱玻璃纤维的化学成分表1 1 t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l k a l i n er e s i s t i n gg l a s s f i b r e 耐碱纤维品种s i 0 2n a 2 0 c a o k 2 0 a 1 2 0 3z r 0 2t i 0 2 l i ，0 日本n e g 6 1 o 1 5 02 02 0 01 0 第一章绪论 9 英国c e m f i l 2 6 2 01 4 85 6o 81 6 7o 1 中国r 1 3 6 1 01 0 45 0o 31 4 56 0 中国高耐碱玻璃纤维 6 0 01 4 06 21 6 70 2 21 6 7 耐碱玻璃纤维的力学性能表1 2 t a b l e l 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l k a l i n er e s i s t i n gg l a s s f i b r e 抗拉强度抗拉极限延伸率 耐碱纤维品种 密度( 咖m 3 ) 弹性模量g p a m p a 日本n e g 2 7 47 9 2 4 4 82 5 英国c e m f i l 2 2 7 08 02 4 8 03 6 中国r 1 3 2 7 86 3 7 01 7 0 04 0 中国高耐碱玻璃纤维 2 7 07 2 8 01 8 0 02 4 我国是从1 9 7 5 年开始研制耐碱玻璃纤维的【2 0 1 。经过几年努力完成了试验室阶 段研究工作，进行了4 0 0 立升坩埚法玻璃熔制的扩大试验和2 0 0 孔坩埚的拉丝试 验。试验结果表明，研制的耐碱玻璃纤维在主要技术指标上接近或达到目前国际 上英国、美国和日本生产的耐碱玻璃纤维水平，在拉丝工艺性能方面，例如拉丝 温度要比他们现在生产的耐碱玻璃纤维的拉丝温度均低，这样就为我国纤维增强 水泥基材或其它碱性介质材料方面提供了一种高质量的新型无机纤维。 低碱度硫铝酸盐水泥 玻璃纤维增强水泥发展初期所用的水泥基本是水泥砂浆，即由水泥、砂子、 水所组成的混合物。随着产品的不断发展，水泥基体的范围也随之扩展，一些掺 加了轻质集料的水泥基体也在许多产品中得到应用。 然而水泥的品种及其质量不仅影响着复合材料的常规力学性能，而且影响着 复合材料的长期耐久性。根本原因是：玻璃纤维受到了水泥水化产物的液相碱度 的腐蚀以及水化产物在纤维单丝之间的沉淀使纤维脆性丧失了原有特性。为了降 低水泥基体的液相碱度，通常采用两种技术途径： 1 ) 是对已有品种水泥进行改性，包括对硅酸盐水泥改性和对铝酸盐水泥改性： 然而改性硅酸盐水泥经玻璃纤维增强后的制品耐久性一般都比不上改性的铝酸盐 水泥和硫铝酸盐水泥【2 1 1 ，而经明矾石等外加剂改性后的铝酸盐水泥，性能比较理 想价格却偏高，推广使用面很小。 2 ) 另一种是研制新型低碱度水泥，我国已经分阶段研制成功了快硬硫铝酸盐 水泥、i 型低碱度铝酸盐水泥和低碱度硫铝酸盐水泥。 a 快硬硫铝酸盐水泥是由8 5 一9 0 普通硫铝酸盐水泥熟料与1 0 一1 5 第一章绪论1 0 石膏或硬石膏配置而成。 b i 型低碱度铝酸盐水泥，是由3 0 普通硫铝酸盐水泥熟料与7 0 硬石膏配 置而成。 c 低碱度硫铝酸盐水泥由5 0 普通硫铝酸盐水泥熟料与2 0 石膏或3 0 硬 石膏配置而成。 9 0 年代我国生产g r c 使用较普遍的水泥是：i 型低碱度硫铝酸盐水泥和快硬 硫铝酸盐水泥【2 2 1 。i 型低碱度硫铝酸盐水泥水化产物为大量钙矾石、铝胶和未水化 完的硬石膏。快硬硫铝酸盐水泥水化产物为大量钙矾石、低型水化硫铝酸钙和铝 胶。水泥水化产物决定了这两种水泥具有强度发挥快、水泥水化碱度低等特点。 然而水泥水化过快及由水化产物钙矾石所产生的微膨胀往往对g r c 制品的成型及 其性能带来不利影响。以前在生产g r c 制品时，为了克服i 型低碱度硫铝酸盐水 泥的后期膨胀及快硬硫铝酸盐水泥初凝时间较短等影响，往往是从g r c 材料配方、 工艺技制品养护等方面采取一些有效措施加以解决，但这并不能从根本上得到改 善。为了使上述两种水泥更适应g r c 制品的生产，对它们进行了改性处理。在保 持i 型低碱度硫铝酸盐水泥碱度较低的前提下，降低其膨胀量，适当延长快硬硫铝 酸盐水泥的初凝时间并进一步降低其碱度，而生产出来了低碱度硫铝酸盐水泥。 硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥水化液相的p h 值，如表所示1 3 所示。 硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥水化液相的p h 值表1 3 t a b l e1 3t h ep hv a l u eo fh y d r a t e dl i q u i d u so fs u l p h o a l u m i n a t ea n dp o r t l a n dc e m e n t 水泥品种p h 值 快硬硫铝酸盐水泥 1 1 5 1 2 0 低碱度硫铝酸盐水泥1 0 5 硅酸盐水泥 1 2 5 实践证明，用耐碱玻璃纤维增强低碱度水泥制成的g r c ，其强度与韧性的保 留率明显高于用耐碱玻璃纤维增强波特兰水泥制成的g r c 。因此提高g r c 耐久 性。不仅要使用耐碱能力较强的含锆玻璃纤维，而且选用碱度低对玻璃纤维腐蚀 性小的水泥作为胶结材料至关重要。 玻璃纤维增强水泥( g r c ) 玻璃纤维增强水泥【2 3 1 ，其英文名称是：g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t ( o r c o n c r e t e ) 简称g r c ( 或者g f r c ) g r c 是一种无机新型复合材料。在此材料中， 主要原材料为耐碱玻璃纤维、低碱度硫铝酸盐水泥、砂子和水，有时为满足某些 特殊的性能要求或满足某种工艺操作方面的要求，也常常使用一些外加剂或其他 第一章绪论 外加材料。水泥是提供胶凝性能和基体强度的主要原材料，玻璃纤维对水泥砂浆 有增强、阻裂作用，韧性和抗冲击性能特好，砂子的使用不仅有经济上的意义， 还有重要的技术意义。在某些方面，g r c 可以与钢筋混凝士和预应力混凝土相媲 美。g r c 抗裂性能与素混凝土比较，如图1 3 所示。 纤维增强混凝土 熔。基 无纤维混凝土 图1 3 纤维增强混凝土与无纤维混凝土抗裂性能比较 f i g u r e1 3t h ec o m p a r eo fc r a c kr e s i s t a n c eb e t w e e ng r ca n dc e m e n t 需要特别说明的是，在玻璃纤维增强水泥复合材料中，玻璃纤维应为耐碱玻 璃纤维，水泥为p h 值较低的低碱度水泥或者经过改性的硅酸盐水泥，对两种主要 原材料的特殊要求是为了保证该复合材料的长期耐久性。 1 4 2g r c 复合材料生产工艺 玻璃纤维增强水泥复合材料的制作工艺有多种，如喷射工艺、预混喷射工艺、 预混浇筑工艺、注模工艺、布网二 艺、缠绕：1 ：艺等。喷射工艺使短切玻璃纤维以 二维乱向方式分布于水泥基体之中，预混工艺使短切玻璃纤维以三维乱向方式分 布于水泥基体之中，布网工艺中则使玻璃纤维网格布以二维定向方式分布于水泥 基体之中。应用较广的是喷射工艺和预混工艺。 喷射工艺 喷射工艺是最早也是应用最多的制造玻璃纤维增强水泥的方法，包括手工喷 射和自动喷射。喷射工艺需要经过专门训练的操作人员和专用设备，正确的操作 有利于获得高强度和耐久性好的产品。 第一章绪论 1 2 6rc 料层 模板 捻粗纱 图1 4g r c 直接喷射工艺原理图 f i g u r e1 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c ts p r a y i n gt e c h n o l o g yo fg r c 喷射工艺原理： 1 ) 将适当水灰比的水泥砂浆通过砂浆挤压泵输送至喷射枪，在喷射枪出口，由 空气压缩机输出的压缩空气对砂浆施加压力，使砂浆变成雾化状态； 2 ) 连续玻璃纤维无捻粗纱经玻纤切割器切割成一定长度的短纤维，由空气压缩 机输出的压缩空气将短玻纤吹出； 3 ) 雾化状态的水泥砂浆和短玻纤同时喷射到模板上，形成纤维水泥层，反复喷 射直至模板上的纤维水泥混合料达到所需厚度，喷射过程中应及时用带肋或带槽 的圆柱形辊对混合料进行辊压密实。 直接喷射工艺原理图，如图1 4 所示；两种玻璃纤维制品，如图1 5 所示。 耐碱玻璃纤维无捻粗纱 短切玻璃纤维 图1 5 两种玻璃纤维制品 f i g u r e1 5t w ok i n d so fg l a s s f i b e rp r o d u c t s 蔫 曩。0 。夕 一睡一赫飘 第一章绪论 预混工艺 预混工艺是将短切玻璃纤维和水泥基体共同拌和，形成均匀的玻璃纤维水泥 混合料，然后通过浇筑方法或喷射方法制成产品。根据成型制品所用的方法不同， 预混工艺包括预混浇筑工艺和预混喷射工艺。 l 短切玻璃纤维卜一 一浇筑成型( 预混浇筑工艺) 纤维水泥砂浆 伴和料 水泥砂浆卜一- 4 喷射成型( 预混喷射工艺) 图1 5g r o 预混工艺原理图 f i g u r e1 5t h es d h e i n a t i cd i a g r a mo fp r e m 仅t ec _