劉 浩

(北京中鐵建建筑科技公司，北京 100043)

0 引言

模板工程是混凝土結(jié)構(gòu)工程中為支撐新澆筑混凝土而使用的系統(tǒng)，是決定混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量、進(jìn)度及成本的關(guān)鍵。目前，我國(guó)建筑行業(yè)使用的模板主要有木模板、鋼模板、竹(木)膠合板、塑料模板和鋁合金模板。木模板存在資源有限、重復(fù)利用率低、污染環(huán)境等問題；鋼模板由于自重大、對(duì)垂直運(yùn)輸體系依賴大、操作不方便等缺點(diǎn)影響其推廣應(yīng)用；塑料模板存在剛度小、強(qiáng)度低、熱脹冷縮的缺點(diǎn)。隨著我國(guó)建筑業(yè)工人老齡化、勞工荒現(xiàn)象的加劇，綠色低碳、輕量化的建筑模板材料成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度為1.8g/cm3，約為鋁合金(2.7g/cm3)的66.7%，約為鋼鐵(7.8g/cm3)的22.9%。鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度大、機(jī)械加工性能好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，隨著近年來(lái)鎂合金加工技術(shù)愈趨成熟，建筑用鎂合金結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)業(yè)和規(guī)模不斷擴(kuò)大。

鎂合金在酸性特征的空氣中耐蝕性較差，但在堿性環(huán)境中有非常好的耐蝕性。因此，暴露在空氣中的鎂合金建筑構(gòu)件在使用前必須進(jìn)行表面處理或包覆處理。目前，鎂合金表面處理技術(shù)發(fā)展很快，對(duì)于常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)和室內(nèi)裝飾應(yīng)用完全能夠滿足其要求；對(duì)于易磨損或有特殊要求的部位，則需特殊處理或采用包覆處理[1-2]。由于混凝土呈弱堿性，在堿性環(huán)境中，鎂合金有很好的耐蝕性，因此，可嘗試探索利用鎂合金制造建筑模板系統(tǒng)。

與鋼模板相比，鋁合金模板的使用已體現(xiàn)了輕量化效果，但單塊鋁合金模板質(zhì)量為30kg，工人操作難度大。鎂合金模板在建筑行業(yè)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步減小模板質(zhì)量，提高施工效率。因此，本文結(jié)合數(shù)值分析、試驗(yàn)及工程應(yīng)用探索鎂合金模板的應(yīng)用前景。

1 鎂合金材料性能試驗(yàn)

對(duì)代號(hào)為AZ41M(舊代號(hào)MB3)的擠壓鎂合金開展性能研究。依據(jù)GB/T 5156—2013《鎂合金熱擠壓型材》[3]，AZ41M擠壓鎂合金抗拉強(qiáng)度為250N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率為5%，布氏硬度HBS為45。根據(jù)GB/T 5154—2010《鎂及鎂合金板、帶材》[4]可知，厚度為3～5mm的熱軋、冷軋板材在室溫下的抗拉強(qiáng)度為240 N/mm2，屈服強(qiáng)度為140 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)12%。

1.1 物理力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[5]對(duì)4mm厚擠壓鎂合金型材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，鎂合金具有良好的應(yīng)變硬化能力，塑性性能好。鎂合金抗拉強(qiáng)度f(wàn)u可達(dá)255N/mm2，屈服強(qiáng)度f(wàn)y為180N/mm2，最大力對(duì)應(yīng)的延伸率為14.0%，滿足規(guī)范要求。

鎂合金AZ41M與鋁合金6061-T6及Q235鋼的物理力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越??；優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度，才能盡量以較小的截面滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)可大幅度減小結(jié)構(gòu)自重。由表1可知，鎂合金比強(qiáng)度高于鋁合金及Q235鋼。比剛度較高說明相同剛度下材料質(zhì)量更小或相同質(zhì)量下剛度更大。由表1可知，鎂合金、鋁合金及Q235鋼的比剛度性能基本一致。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮，鎂合金強(qiáng)度較易滿足要求，但剛度是鎂合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須加以重視的問題。

表1 材料物理力學(xué)性能對(duì)比

綜合鎂合金物理力學(xué)性能，須通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能進(jìn)一步降低鎂合金模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量，大幅度降低施工強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力成本。

1.2 耐蝕性測(cè)試

1)稱量20g氫氧化鈉粉末，加入90mL水中，配制成濃度為18%的氫氧化鈉溶液。取具有涂層的鎂合金材料浸泡在溶液中5d。經(jīng)觀察及稱重測(cè)量，鎂合金質(zhì)量未見變化(見圖1)，具有很好的耐堿性。

圖1 鎂合金耐堿性測(cè)試

2)選用白醋來(lái)配置pH=3的酸性溶液，將具有涂層的鎂合金材料浸泡在酸性溶液中。結(jié)果表明，酸性溶液變渾濁，溶液表面有泡沫(見圖2)，底部有黑色殘?jiān)?，鎂合金試樣與酸性溶液發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，質(zhì)量減小。

圖2 鎂合金耐酸性測(cè)試

3)用砂紙打磨去除鎂合金材料表面涂層，并在表面灑水。如圖3所示，鎂合金會(huì)與水反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，生成白色絮狀物，反映程度與水的pH值有關(guān)。

圖3 去除涂層的鎂合金耐蝕性測(cè)試

總之，未涂層的鎂合金非常活潑，與水能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；涂層后的鎂合金材料具有很好的耐堿性，耐酸性差。為提高模板周轉(zhuǎn)使用壽命，須做好鎂合金的表面處理。

2 鎂合金模板設(shè)計(jì)

鎂合金模板質(zhì)量15kg/m2，與鋁合金模板相比，質(zhì)量減少30%左右。利用有限元軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的模板進(jìn)行強(qiáng)度與剛度分析。

2.1 數(shù)值分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[6]，新澆筑混凝土作用于模板的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)，(2)計(jì)算，并取其中的較小值：

(1)

F=γcH

(2)

式中：混凝土重度γc為24kN/m3；澆筑速度V取2m/h；初凝時(shí)間t0為5h；坍落度影響修正系數(shù)β為1.0；側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度H為3m。經(jīng)計(jì)算得到，模板所受側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值F=47.5kN/m2。

撓度驗(yàn)算只考慮新澆筑混凝土側(cè)壓力產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值。強(qiáng)度驗(yàn)算要考慮新澆筑混凝土側(cè)壓力和傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載設(shè)計(jì)值。因此，撓度驗(yàn)算對(duì)應(yīng)的荷載Fn=47.5kN/m2，強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)應(yīng)的荷載Fq=60.2kN/m2。

鎂合金模板結(jié)構(gòu)如圖4所示。焊接橫向肋截面為40mm×40mm×3mm方管，布置4道對(duì)拉螺栓。

圖4 鎂合金模板結(jié)構(gòu)

固定模板與背楞接觸位置，頂部邊框與C槽相連，因此，頂部邊框也進(jìn)行固定。利用ABAQUS軟件，采用六面體C3D8I單元進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，模板組合變形最大值位于第2，3道背楞之間，最大值為1.1mm<1.5mm，變形滿足要求。由圖5b可知，模板與背楞接觸位置應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為121N/mm2

圖5 模板模擬計(jì)算結(jié)果

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以2.6m×0.4m鎂合金模板進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。鎂合金模板質(zhì)量約為15kg/m2，材料成本約為34.4元/kg×15kg/m2=516元/m2；鋁合金模板質(zhì)量約為20kg/m2，材料成本約為21.7元/kg×20kg/m2=434元/m2。 目前鎂合金模板未達(dá)到批量化生產(chǎn)，鑄棒和擠壓成本高于鋁合金模板。

3 鎂合金模板工程應(yīng)用

目前鎂合金模板在施工現(xiàn)場(chǎng)已有應(yīng)用，輕量化優(yōu)勢(shì)顯著，便于操作，模板操作方法與鋁合金模板相同，易于上手；模板也存在一些問題，如拆除頂板鎂合金模板時(shí)，邊角磕碰后易掉角；模板多次使用，涂刷脫模劑后，會(huì)形成白色附著物。墻體成型效果如圖6所示。

圖6 墻體成型效果

4 結(jié)語(yǔ)

1)鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度大、機(jī)械加工性能好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，鎂合金在建筑模板上的應(yīng)用，將進(jìn)一步降低模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量，大幅度降低施工強(qiáng)度、減少勞動(dòng)力成本。

2)未涂層的鎂合金非?；顫?，與水能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為提高模板周轉(zhuǎn)使用壽命，須做好鎂合金模板表面處理。

3)通過有限元分析可知，鎂合金建筑模板具有足夠的剛度和強(qiáng)度，可滿足施工規(guī)范的要求。

4)目前鎂合金模板未達(dá)到批量化生產(chǎn)，其鑄棒和擠壓成本高于鋁合金模板。