填充材料在模板设计使用中的可行性分析

张世平

近年来，随着国内高速轨道交通建设的全面展开，高架铁路桥梁已成为钢制大模板的主要消费群体之一。由于地理环境的差异性，加之各设计院在设计桥墩时的不同设计习惯，造成而今桥梁模板形式多样，尺寸差异明显。这直接导致了模板在使用过程中重复利用率低下，生产成本提高。通常在一个工程结束后，模板就失去了其使用价值，只能当作废铁回收，导致极大的资源浪费。与此同时，钢制模板在进行曲面加工时存在一定难度，并且加工精度是一个一直存在的问题，加工余料浪费严重。可见，如果可以使用钢制模板作为外围框架，在内部采用其他材料进行填充以达到施工要求，可大大简化模板的生产过程。并且，在使用填充材料后，外围模板框架可以进行重复利用，减少不必要的浪费。

一、国内现状

随着国内大部分公路、铁路桥梁清水墩柱应用的推广，施工单位为提高质量，做到内实外美，增强墩柱的外观效果，基本上都根据墩柱外形定制墩柱钢模，采用泵送混凝土浇筑墩身，墩柱无论从外观上还是从内在质量上都能达到期望效果，并且由于钢模周转率高，可多次使用降低成本，所以墩柱浇筑采用钢模板这一施工方法得到广泛的认可。

墩柱钢模板的截面有圆形、圆端形、圆台形、双曲线形等，分模一般根据脱模简便性分成1/2或1/4圆角方式，高度则根据施工图与进度要求而定。早年间，大部分桥梁施工单位为增加钢模的再次利用率，一般把墩柱模板的高度定在1～1.5m，最高2m以内。近年来，为使墩柱浇筑后达到圆顺光滑无接缝错台，施工单位则采取一柱到顶立模泵送混凝土的方法，最高可达30m以上。

墩帽部分模板多数为变截面构造，其中双曲、天方地圆等结构较为常见。上述两种墩帽都属于截面形状变化明显，圆弧部分多，模板面板需要多块板材进行拼接，圆弧部分材料利用率很低。且由于墩帽部分变化较多，常在同一个工程中出现三种以上不同尺寸，形状不同也就致使了墩帽部分不能倒用，导致很大程度上的浪费，墩帽模板很难有二次利用的机会，通常都是一个工程段结束后当作废钢卖掉。

二、材料选择

在材料选择方面，为了方便施工，宜采用轻质材料作为填充材料，以降低施工强度。根据现有技术水平，较为合理的选择是采用工程塑料或发泡塑料作为填充材料。

将填充材料用于墩柱模板应用首先应考虑模板加工企业是否具备热塑性加工能力，优先选取一些便于冷加工切割成型的材料。或者选择价格相对合理的塑料，外协加工。冷加工方式在填充材料加工过程中会产生很多切削量，适宜选用成本较低的材料进行加工。选择外协加工则需要有较为便捷的供货渠道。

国内部分公司已采用了EPS做填充材料进行较难形状的加工或是应用在混凝土表面以达到某些外观效果，该尝试达到了不错的效果。

1.聚苯乙烯泡沫塑料

泡沫塑料成本较低，常温下进行切割等方式加工较为容易。鉴于其耐久性较低，易破坏的特质，可以加工多套备用，以便于施工。聚苯乙烯泡沫塑料分为膨胀性EPS和连续性挤出型XPS两种。

（1）EPS(聚苯材料)本身材质原因，易于切割，可以利用数控加工技术成型，且能保证其尺寸准确性。但聚苯乙烯的整体密度离散性较大，经过一段时间的存放后会造成尺寸不均匀变化，所以聚苯材料在加工之前应经过一段时间的陈化。

聚苯材料其表面较粗糙，不满足清水混凝土施工要求。若投入使用，应在其表面加铺一层光滑表面，这样可以降低混凝土浇注过程中对填充材料产生破坏的可能。拆模时工人施工不够仔细同样会影响填充材料的使用寿命，产生一些不必要的浪费。

聚苯材料EPS本身密度小，便于施工，但其抗冲击能力较差，受到集中应力时极易破损，所以使用聚苯作为填充材料首先要考虑如何进行保护。

成型后的苯板在施工过程中的拆装同样是个问题，如何运输、如何保持其完整性都需要考虑在内。苯板自身重量很轻，成型后不能磕碰挤压，需要很大空间。与模板一起运输时必须保证其不被破坏，同时要考虑空间利用率，降低运输成本。

（2）XPS板与EPS板材相比，是第三代硬质发泡保温材料，从工艺上它克服EPS板繁杂的生产工艺，具有EPS板无法替代的优越性能。它是由聚苯乙烯树脂及其它添加剂经挤压过程制造出的拥有连续均匀表层及闭孔式蜂窝结构的板材，这些蜂窝结构的厚板，完全不会出现空隙，这种闭孔式结构的材料可具有不同的压力 （150-500kPa）同时拥有经久不衰的抗压性能，抗压强度可达220-500kPa。XPS板的完全闭孔式发泡化学结构与其蜂窝状物理结构，使其具有轻质、高强度的特性，便于切割、运输，且不易破损、安装方便。

2.塑料

较泡沫塑料而言，使用塑料相对成本较高，所以要采取内部中空，与钢模板间进行填充或支撑的形式。如果进行回收利用，则必须对表面进行保护。新拌混凝土为碱性，选取材料时要考虑耐腐蚀性。且混凝土中有大量石子砂子，可能对塑料表面造成磨损破坏。出于耐久性考虑，需在上面加一层铁皮进行保护。

（1）POM （聚甲醛）是一种坚韧有弹性的材料，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度，但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、化学稳定性并且易于加工，且具有较高的屈服强度。POM具有较好的综合性能，在热塑性塑料中是最坚硬的，是塑料材料中力学性能最接近金属的品种之一，其抗张强度、弯曲强度、耐疲劳强度、耐磨性和电性都十分优良，可在-40度-100度之间长期使用。但成本较高，约为14000元/吨。

（2）PS（聚苯乙烯）为无定形聚合物，是一种易于成型加工的透明塑料，硬度高，比重1.04gm3左右，杨氏模量： (E)3000-3600MPa。聚苯乙烯的价格便宜，产量高，可以考虑作为填充材料使用。但耐热性能一般，变形温度在60～80摄氏度。如采用聚苯乙烯，夏季施工避免阳光直射，以免发生变形。

（3）HIPS工程塑料。耐冲击性聚苯乙烯 （HIPS）是由PS加丁二烯改性而成的，因为PS的冲击强度很低，做出的产品很脆，而丁二烯的韧性很好，加入丁二烯后可使PS的冲击性能提高2～3倍。标准HIPS性能：弯曲强度13.8～55.1MPa；拉伸强度13.8—41.4MPa；断裂伸长率为15—75%； 密度1.035—1.04g／ml。 HIPS是最便宜的工程塑料之一，尽管HIPS的冲击强度比PS的冲击强度高出很多，但其综合性能还是不如ABS、PC/ABS等。和ABS、PC/ABS、PC相比，材料的光泽性比较差，综合性能也相对差一些。

三、可行性施工方案假设

本方案选择EPS（发泡聚苯乙烯）为填充材料，这种材料成本低，加工简单，可考虑小周期使用 （3-5个墩帽一套）。成型方式采用切割法，根据施工图的尺寸，在组拼好的发泡聚苯乙烯上定点、放样、画线、切割，并进行表面蒙皮处理 (考虑使用铁皮包裹)。与外部钢框架接触部分预留连接位置。外部钢模板依据同一批墩帽的外形尺寸，外形尺寸接近的使用同一套钢模板。填充材料通过喷漆编号进行区分，可根据现场施工情况考虑填充材料配套数量。填充材料的固定应采取限位控制，由于聚苯乙烯泡沫材料局部抗破坏能力较低，所以应尽量保证限位部分接触面积，避免施工过程中发生破坏影响使用。

四、总结

综上所述，从低耗、高效、节能减排的综合因素出发，发泡聚苯乙烯可考虑作为填充材料，在模板行业中使用有一定的可行性空间，若能批量使用，既可以降低生产成本，也能提高用户效益。采用填充材料可以弥补并完善现有模板技术存在的不足，但由于目前填充材料在施工过程中的使用经验还比较少，且偏重于应对某些形状较为复杂的结构，如何在桥梁模板施工中广泛应用以及尚存在什么问题还需在生产实践过程中不断总结。