一、任务来源
混凝土工程是国民经济不可缺,百姓安居离不了的基础建设工程之一。历经数千年的演变,由水泥、砂石、水加上现代科技混合而成的预拌混凝土产业不断发展壮大,正在被越来越多以建筑为主体的领域广泛应用,日益成为建设世界、改变世界的关键材料和重要力量。
2024年中央经济工作会议上强调“必须把坚持高质量发展作为新时代的硬道理,完整、准确、全面贯彻新发展理念,推动经济实现质的有效提升和量的合理增长”“以科技创新引领现代化产业体系建设”,这既为找准预拌混凝土行业面临的突出问题指明了方向,更为解决行业问题、赢得未来发展提供了根本遵循方向。
混凝土工程未来发展要以科技创新为动力、绿色低碳为着力点、智能制造为抓手助推行业转型升级。在施工中要运用新思路、新模式、新方法解决行业发展的痛点和难点问题,用新技术、新产品、新装备、新应用推动整个行业高质量科创发展。
在以新颖的思维、更新的理念、全新的方式谋划发展、转型创新的背景环境下。现针对传统模板的“黑箱效应”缺点提出以一种具有透视功能、高强度和可3D打印造型的绿色创新型模板,在混凝土工程实际应用中能够可视并量化混凝土浇筑过程,在过程中充分指导混凝土浇筑和振捣,运用新工具在传统工艺上突破新的功能,稳定提升混凝土结构和构件的表面光滑度和混凝土密实度,达到“外光内实”的水平。对混凝土可视化浇筑的发展提供工程应用参考。经企业技术中心专家论证,确定研发课题为：混凝土构筑物透视模板施工关键技术研究与应用。
二、应用领域和技术原理
本工法属于混凝土工程领域,适用于市政构筑物工程。同时适用房屋建筑工程的墙板和桥梁工程的墩柱等现浇式混凝土竖向构件的混凝土浇筑。
1.混凝土分层浇筑厚度对其影响分析
基于对目前国内外混凝土病害的研究现状分析,发现混凝土竖向结构浇筑高度的精确控制,可以有效降低混凝土构件或结构的错台和表面水波纹等病害发生可能,但是混凝土竖向构件的浇筑过程中存在诸多不利客观影响因素（例如：泵车出料量突变、浇筑间歇时间不规律不稳定和工人操作过于追求效率等）,致使目前混凝土竖向构件混凝土浇筑厚度的控制是不够科学严谨的,对于混凝土高质量稳定成型是存在较大不利影响。因此,提出了采用具有透明可视功能的模板浇筑混凝土,在浇筑过程中针对性的控制混凝土浇筑高度不精确而引发的混凝土病害。
采用透明可视模板浇筑竖向结构或构件混凝土时,能够从工艺角度充分保障混凝土的分层浇筑厚度的规范性,混凝土每层浇筑厚度保证在振捣棒作用半径的1.25倍内。浇筑振捣连续作业,在下层混凝土完成初凝前进行上一层混凝土的振捣,振捣时插入下层混凝土约5cm厚度左右,保障两层混凝土结合紧密无缝隙。
2.混凝土振捣工艺水平对其影响分析
混凝土振捣工艺效果是影响混凝土结构或构件成型质量主要因素之一,拌合物浇筑入模时裹挟大量气泡,因骨料内拱以及浆体黏滞,有害气泡（大于50nm）无法自动排出,需要振动能量使颗粒与浆体产生受迫振动,并以振动波形式向周围骨料和浆体传递,从而排除混凝土拌合物内部有害气泡。但实践中对于混凝土振捣是否充分仍以经验判断为主,缺乏科学严谨的量化评价措施。国内外施工标准规范对振捣包括定性和定量两方面工艺要求；振捣时插点要排列均匀,以免造成振捣混乱而导致混凝土结构或构件部分位置漏振,采用“快插慢拔”的方式进行,必要时进行“复振”,其中混凝土定性振捣工艺要求混凝土振捣过程以混凝土表面出现均匀的水泥浆且混凝土中不再冒泡为止,若振捣时发现混凝土不再产生明显的下沉,表示混凝土已振实,即可停止振捣,在混凝土结构或构件钢筋密集区振捣时,宜采用“先调整后恢复”的方法,使得振动棒的工作区域能覆盖混凝土浇筑区域,保证混凝土结构或构件不漏振。其中混凝土结构或构件保护层位置要加强振捣,防止保护层混凝土出现漏振或振捣不密实,影响成品表面光滑度甚至造成露筋、蜂窝和孔洞等病害。但是通过长期的施工实践结果来看仅仅混凝土表面不再沉降时即为振动密实是不够全面严谨的。当拌合物流动性较大时,即使表面不再沉降,仍存在气泡未能有效排出而不密实。所以仅仅从浇筑表面判断混凝土的振捣密实性不够全面,不符合科学严谨,求真务实的施工原则。所以需要我们增加混凝土浇筑体的观察表面,全面判断混凝土内部气泡存有量,从而有的放矢的提高混凝土的密实度。
3.钢筋绑扎及脚手架模板搭设等工艺措施对其影响分析
结构的钢筋绑扎需按照设计要求进行摆放,通过扎丝进行绑扎固定。严格的控制钢筋间距,此措施有助于保证混凝土浇筑时骨料顺畅下落,避免骨料集中,造成骨料分布不均。落实结构或者构件钢筋绑扎前标尺控制,钢筋绑扎后复测钢筋的间距,任何不合格的钢筋都会被调整。此外,水平筋与主筋之间的点焊也会增强钢筋的连接,以确保后期施工中不发生钢筋间距的偏移,但是在混凝土浇筑过程中混凝土拌合物的下落会对钢筋进行物理冲击,经常会导致绑扎好的钢筋出现移位,所以在混凝土浇筑过程中需要对钢筋位置偏移程度进行可视化监控,当偏移过大达到露筋程度时,应在暂停浇筑,及时复位钢筋。
脚手架支设是为了确保工人安全地进行模板施工的可周转辅助材料。脚手架的连接必须牢固,横杆与纵杆的间距需要符合规范,以提供一个稳定可靠的支撑体系,为模板的安装与拆卸提供充足的工作面,保障模板的严密拼接,从而稳定提高混凝土结构或构件的成品质量。
模板的正确安装直接影响混凝土施工的顺利进行和外观质量。在项目中,透视模板拼接位置全部粘贴水凝膜胶带,以确保模板的拼缝位置不漏浆。安装完毕后,对底板高程、尺寸和钢筋保护层进行复测验收,以确保模板的位置准确性,避免造成结构或者构件位置偏移。此外,板拼缝位置在安装完成后,混凝土浇筑前会重新复查,避免疏漏在安装过程中产生的缝隙,从模板内外两侧自己核查拼缝是否严密,确保接缝没有间隙。
4.质量检测和记录对其影响分析
施工过程中,需要建立有效的监测体系,以实时跟踪施工的进展和质量。包括使用先进的监测设备检测钢筋位置、混凝土强度、表面平整度等关键参数。监测数据的及时记录和分析有助于及早发现潜在问题并采取纠正措施。质量记录的建立对后续的维护和修复工作至关重要。详细地记录包括施工过程中的各环节、材料的来源和使用情况、施工人员的资质和培训记录等,用于验证工程的合规性,为后续的运营和维护提供重要参考。
三、性能指标
1.混凝土强度评价
设计规定电力隧道结构混凝土为C35,抗渗等级为P8,养护龄期为28d,标准温度为20±2℃,相对湿度为95%。所有试块取样均在混凝土浇筑入模处,由施工管理人员和监理人员共同见证,质检试验员按规范步骤操作制备,确保所制试块的代表性和真实性。将电缆隧道相邻段设置为传统工艺和透视混凝土浇筑工艺对照组
（1）混凝土同养电力隧道混凝土试块立方体抗压强度测定
对K7+796-K8+460共计664m,按施工现场环境状况和机械材料周转调度实际情况,将其分为21段,每段约30m,对每段取的混凝土试块进行同条件养护,养护龄期为试块累计养护温度达600℃·d,测得C传统混凝土浇筑工艺立方体抗压强度平均值为42。63Mpa,最大值47。2Mpa,最小值38。8Mpa,极差8。4Mpa。
（2）混凝土标养电力隧道混凝土试块立方体抗压强度测定
对K7+796-K8+460共计664m,按施工现场环境状况和机械材料周转调度实际情况,将其分为21段,每段约30m,对每段取的混凝土试块进行标准条件养护28d,测得混凝土立方体抗压强度平均值为44。15Mpa,最大值45。8Mpa,最小值42。7Mpa,极差3。1Mpa,均满足设计混凝土要求C40强度。
（3）电力隧道混凝土结构实体回弹结果
测得传统工艺的电缆隧道混凝土实体回弹强度值39。51Mpa,最大值40。3Mpa,最小值38。9Mpa,极差1。4Mpa,透视工艺浇筑的电缆隧道混凝土实体回弹强度平均值41。32Mpa,最大值42。1Mpa,最小值40。8Mpa,极差1。3Mpa
结果表面透视浇筑工艺浇筑的电缆隧道实体混凝土平均强度值相较传统浇筑方法对混凝土实体强度有显著改善效果,混凝土实体回弹强度环比增长4。58%。
（4）将（1）（2）（3）数据对比分析
将混凝土强度平均值按从大到小的顺序排列为标养试块混凝土抗压强度平均值（44。15Mpa）＞同养试块混凝土抗压强度平均值（42。63Mpa）＞电缆隧道透视浇筑工艺结构实体回弹强度平均值（41。32Mpa）＞电缆隧道传统浇筑工艺结构实体回弹强度平均值（39。51Mpa）。
结果表明透视工艺将结构实体强度环比提高4。58%,与同条件立方体试块强度相近,说明振捣浇筑工艺水平贴近规范浇筑振捣要求,成果显著,可以范围性推广应用。
2.混凝土表面光滑度评价
混凝土的良好质感来源于其表面密实均匀的成型质量。一般指出现在硬化混凝土表面、单个直径不超过25mm的圆形或不规则形状孔洞,是影响混凝土美观效果的最大“顽疾”。随着工程品质提升需求的不断增长以及混凝土原材料来源的日益复杂,混凝土表面气孔问题更趋突出,甚至对混凝土耐久性能产生不良影响。
（1）利用白光干涉仪表征不同粗糙度模板表面
混凝土表面气孔乃至其他更多表观缺陷的出现,主要与混凝土和模板之间的物理化学作用、机械作用密切相关。采用混凝土与模板的摩擦应力表征混凝土表观成型质量,其受模板材质、模板粗糙度、脱模剂等因素影响,所以本项目团队利白光干涉仪对传统模板和透视模板进行表面粗糙度扫描,最后得出结论,传统模板的粗糙度为1.106μm,塑化的透视模板粗糙度为0.117μm,提升近十倍。
（2）利用图像处理技术表征混凝土实体表面粗糙度
本项目通过高分辨率摄像和计算机图像处理可以轻松地获取混凝土表面的气孔缺陷图片,采用Matlab、Photoshop或ImagePro-Plus等软件,将照相机采集的原始图片转换为位图,并进一步增强气孔和浆体的对比度,通过二值化处理将气孔与其他物相区分,然后统计图像中气孔的数量、尺寸等信息,以气孔面积占比和最大气孔尺寸作为混凝土表面气孔缺陷分类的依据。
采用由美国混凝土协会（ACI）为代表的团体组织提出了一种至今仍广泛应用的混凝土表面气孔缺陷分类方法,且我国现行的多个混凝土标准规范对气孔缺陷的要求均是借鉴了这一验收检验方法,以气孔面积占比和最大气孔直径综合评价划分混凝土表面质量,进而将混凝土表面质量优劣进行分级,进而论证本项目提出的工艺工法对成型混凝土表面质量提升程度,。
四、与国内同类技术比较
混凝土结构或构件透视模板的实践应用在国内应用属于前列,在山东地区属于首例,通过模板透光可视功能原理上解决传统模板“黑箱问题”,运输和使用方式与传统模板相近,并不会提升任何施工操作方面的困难,对工程工期不产生不利影响,兼备周转使用条件,而且可根据需要选择指定位置透视或者全透视,通过新老工具结合的方式,透视模板搭配传统脚手架,在极大提高功能的同时,少幅增加成本,属于增强型价值工程范畴。具有十分显著的社会意义、科技创新代表性和显著的经济实用性。
五、成果创新性、先进性
1.运用计算机图像和计算科学论证透视模板和成品混凝土表面光滑程度,积极响应国家“互联网+土木工程”高水平高层次施工,科学精准的数据具有极大的科研价值,为后续的成果革新,积累过程数据,该项目研究具有非常深远的研究价值和深度。
2.基于大量且多样的混凝土结构或构件的混凝土实体实践试验论证,采用控制变量法,科学设置不同变化因素的试验段或试验结构构件,保障试验对象的多样性同时,设置重复试验组,保证结果数据具有随机普遍性,保障其科学可靠性,过程中时刻保持严谨的试验态度,用极具信服力的数据结果指导对施工操作的改良和创新,针对影响混凝土结构和构件成品质量的根源问题逐一分析解决,逻辑性严密,效果十分显著。
3.在保证透视模板工程性的同时积极探究市面不同行业成熟材料,努力提高透视模板的经济性,兼顾其功能的同时努力开发不同行业此功能产品的附加价值,在成熟流通的透视工具中寻找合适的产品,避开新产品开发落地推广的高成本低回报时间周期,极大的缩减了产品生产落地的等待时间,运用开发存量成熟透视产品新功能的的思路,低价高效的针对性的解决了传统混凝土模板“黑箱效应”,突破混凝土浇筑施工瓶颈难题,为混凝土工程行业的创新发展“添砖加瓦”具有高性价比科技创新代表性。运用此法完成了济南黄河大道电力沟实验段的混凝土浇筑,对比传统模板混凝土浇筑成品并通过混凝土强度和混凝土表观质量两个指标论证可视化模板优异性。
六、推广应用的范围、条件和前提
可视化模板作为新型混凝土辅助周转材料应用广泛,可以应用于任何现浇混凝土工程的施工中,使用方法与传统的胶合板模板使用方法类似,具有简单方便的特点,适用性广泛,作用效果明显的特点。
七、存在的问题和改进意见
为提高亚克力模板施工的效率和质量,工艺改进不可或缺。济南新旧动能转换先行区黄河体育会展及科技智造园区（黄河大道一期）工程中,工程团队通过不断改进工艺确保施工的高效性和质量。一项重要的工艺改进是在底板钢筋绑扎时,使用控制线弹设钢筋位置。这种方法可以确保钢筋摆放的准确性,从而提高通道的稳定性。技术员会定期对控制线进行检查和调整,以确保钢筋位置的准确性。另一项工艺改进是在亚克力模板施工时,在拼缝处增涂刷专业胶水,并附加胶带防漏措施,这种施工措施可以更保险的减少漏浆的发生,确保成品混凝土的表面质量。此外,使用角磨机切除多余的亚克力是为了保证施工表面的平整和美观,这一步骤可以确保通道的外观质量达到设计要求。
