国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状.docx

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国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状

国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状

国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状[摘要]自密实混凝土即拌合物具有很高的流动性而不离析、不泌水,能不经振捣或少振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。

不仅可大大降低施工噪声,而且可加快施工速度、保证和提高施工质量。

可通过配合比调整其物理、力学性能。

对原材料、配合比敏感,对施工要求严格。

由于历史短,尚有若干问题需进一步研究。

[关键词]混凝土自密实混凝土高性能混凝土配合比展望80年代后半期,日本东京大学教授村甫开发了“不振捣的高耐久性混凝土”,称之为高性能混凝土（HighPerfor-manceConcrete）。

1996年在美国泰克萨斯大学讲学中,甫村称该混凝土为自密实高性能混凝土（以下简称自密实混凝土selfcompactingconcrete）。

之所以称为高性能,是因为具有很高的施工性能,能保证混凝土在不利的浇筑条件下也能密实成型,同时因使用大量矿物细掺料而降低混凝土的温升,并提高其抗劣化的能力,而可提高混凝土的耐久性。

自密实混凝土即拌合物具有很高的流动性而不离析、不泌水,能不经振捣或少振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。

自密实混凝土综合效益显著,特别是用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位,可避免出现因振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。

强度等级越高,比常态混凝土费用越低。

自密实混凝土配制的关键是满足良好的流变性能要求。

自密实混凝土属于高流动性混凝土的一部分。

1国内外自密实混凝土的应用概况至1994年底,日本已有28个建筑公司掌握了自密实混凝土的技术。

从日本1992～1993年各学会、技术刊物等发表的自密实的高性能混凝土在土木工程中应用实例来看,自密实高性能混凝土特别适合于浇筑量大、浇筑高度大、钢筋密集、有特殊形状等的工程。

在西方也有不振捣的混凝土的应用,如美国西雅图65层的双联广场钢管混凝土柱,28d抗压强度115MPa。

混凝土从底层逐层泵送,无振捣。

在美国为了保证混凝土的浇筑质量以保证钢筋和混凝土的整体性,在密筋的钢筋混凝土和几何形状复杂的结构中,也使用高坍落度而能自流平的混凝土,但强调仍需要适当的振捣以确保混凝土的足够密实。

近年来由于在日本不断有采用自密实混凝土成功的工程实例,美国也开始注意该项技术。

在我国北京、深圳、济南等城市也开始使用自密实混凝土,从1995年开始,浇筑量已超过4万m3。

主要用于地下暗挖、密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位、解决扰民问题、缩短工期等。

2自密实混凝土的性能2.1自密实混凝土拌合物的性质自密实混凝土的拌合物除高流动性外,还必须具有良好的抗材料分离性（抗离析性）、间隙通过性（通过较密钢筋间隙和狭窄通道的能力）和抗堵塞性（填充能力）。

国外大多用拌合物的坍落流动度,即坍落后拌合物铺展的直径,作为高流动性混凝土流变性能的量度。

日本报道,坍落流动度一般为50～70mm。

超过70mm时,拌合物易产生离析;不到50mm时,则可能发生充填障碍。

拌合物抗离析性可用坍落流动速率来评定。

坍落流动速率用拌合物坍落后铺展到直径为50cm的时间除以流动距离15cm的值表示。

坍落流动速率快时,流动性好,但过快时容易产生离析。

也有人在一种L形流动性测定装置的转角处装置传感器测定拌合物流动初始的速率,来判断拌合物的抗离析性。

对于泌水量,按日本标准JASSA1123的方法检测时,JASS5规定对普通混凝土要求98%。

（3）外加剂即使设计强度等级不高,也要用高效减水剂。

日本杉本贡报道,对高流动混凝土外加剂性能的要求为:

有优质的流化性能,保持拌合物流动性的性能、合适的凝结时间与泌水率、良好的泵送性;对硬化混凝土力学性质、干缩和徐变无坏影响、耐久性（抗冻、抗渗、抗碳化、抗盐浸）好。

为此多采用高性能引气型（AE）减水剂。

同时,由于自密实混凝土拌合物往往有离析的倾向,在日本多采取掺抗离析剂或增稠剂来解决。

日本的抗离析剂有纤维素水溶性高分子、丙烯酸类水溶性高分子、葡萄糖或蔗糖等生物高聚物等。

其中纤维素醚和甲基纤维素用得最多。

但是添加抗离析剂时,对混凝土的强度有些影响。

北京建工集团二建公司使用两种不同原料来源的萘系高效减水剂复合使用,对自密实混凝土的抗离析性有显著效果。

3.2自密实混凝土的配合比自密实混凝土的配合比应满足拌合物高施工性能的要求,因此,与相同强度等级的普通混凝土相比,有较大的浆骨比,即较小的骨料用量,胶凝材料总量一般要超过500kg/m3;砂率较大,即粗骨料用量较小,砂率最大可达50%左右;使用高效减水剂,由于胶凝材料用量大,必须掺用大量矿物细掺料,细掺料总掺量一般大于胶凝材料总量的30%。

为了保证耐久性,水胶比一般不宜大于0.4。

自密实混凝土配合比的确定是以上各参数和混凝土强度、耐久性、施工性、体积稳定性（硬化前的抗离析性,硬化后的弹性模量、收缩徐变）等诸性质间矛盾的统一。

例如流动性和抗离析性要求粗骨料用量小,但粗骨料用量小时硬化混凝土的弹性模量低,收缩、徐变大;砂率大,有利于施工性和强度而不利于弹性模量;水胶比大,有利于流动性,而不利于强度和耐久性等等。

因此与普通混凝土配合比设计不同的是,根据上述矛盾的统一确定粗骨料的最合适用量、砂子在砂浆中的含量。

小和村建议作为砂浆和混凝土两个层次的体系考虑自密实混凝土配合比设计。

石子最大粒径为20mm,使用中热水泥和增稠剂。

北京建工集团二建公司建议按混凝土、砂浆、水泥净浆、胶凝材料四层次体系设计,如图1所示。

粗骨料体积0.5~0.55m3混凝土砂体积含量40%~43%砂浆水初步配合比水泥浆W/C胶凝材料水泥、掺合料外加剂图1北京建工集团二建公司建议的自密实混凝土配合比设计体系以上步骤均采用绝对体积方法计算。

由此可见,自密实混凝土的浆骨比变化的范围是很小的。

混凝土的性质主要受水泥浆浓度和性质的支配。

自密实混凝土配合比的实例如表1所示。

表1自密实混凝土配合比实例工程名称现场实际强度MPa混凝土中原材料用量㎏/m3龄期强度水水泥细掺料砂石外加剂日本日本明石大桥A1基础91d62.3142中热172矿渣172粉煤灰86771965高效引气型减水剂+超塑化剂+引气剂北京恒基中心地下通道方厅墙、顶板、柱28d37.5200P.O.525#280粉煤灰175UEA33830830DFS0.75%北京凯旋大厦梁、板、柱28d53.5200P.S.425#381粉煤灰148UEA20796760SN1.8%4自密实混凝土施工的特点自密实混凝土的质量对原材料的变动很敏感,制作和施工中各环节的控制要求严格,因此对操作工人的要求低了,而对技术和管理人员的要求高了。

由于组成材料多,必须注意搅拌均匀,目前多采用双卧轴强制式搅拌机,搅拌时间比普通混凝土的长1～2倍,60～180min甚至更长是必要的。

搅拌不足的拌合物不仅因不均匀而影响硬化后的性质,而且在泵送出管后流动性进一步增大,会产生离析现象。

投料顺序最好是先搅拌砂浆,最后投入粗骨料。

一般来说,自密实混凝土适合于泵送浇筑。

墙或柱的浇筑高度可在4m左右。

浇筑顺序可参考和泉意登志在文献中给出的泵管移动顺序用吊斗浇筑时产生离析的可能性大,对配合比要求更严格,难度较大。

在必须用吊斗浇筑时,应使出料口和模板入口的距离尽量小,必要时可加串筒。

柱子和墙浇筑前要严格检查钢筋间距及钢筋与模板间的距离,最好准备一根长钎,以便必要时进行适当的插捣,排除可能截留的空气。

自密实混凝土的质量对原材料和配合比的变动以及施工工艺都很敏感,因此对施工管理水平要求较高。

每项工程实施前要有严格的施工规程和班前交底,尤其在交接班时,要有具体的措施以免差错。

5自密实混凝土应用展望及需进一步研究的问题

（1）自密实混凝土由于优异的施工性能,可大大加快施工速率,减小劳动强度,并可避免由于可能振捣不足而引起混凝土的严重质量事故;低水胶比、低温升和大量矿物细掺料,可保证混凝土的耐久性。

但与相同强度的普通混凝土相比,弹性模量稍低,收缩和徐变稍大。

此问题可通过适当提高配制强度、掺用膨胀组分或纤维和收缩小的细掺料（如优质粉煤灰）等措施来解决。

但因掺用大量细掺料,混凝土碱度较低,宜用于主要受压的构件,特别适用于较大体积的基础底板和桩。

用于受弯构件时,在目前尚无构件试验的情况下,细掺料掺量以不超过30%为宜。

为此需要系统研究用自密实混凝土的主要受弯构件在荷载作用下的裂缝和混凝土性质的关系、碳化及其对钢筋绣蚀的影响。

（2）目前尚未查到自密实混凝土用于预应力钢筋混凝土的报道,需要进行有针对性的系统研究。

（3）自密实混凝土由于一般凝结时间较长,早期强度较低,冬季施工时最好不用。

但在大体积混凝土中混凝土温升对掺用细掺料的混凝土强度发展有利,自密实混凝土可在采取冬施措施的前提下使用。

（4）对都可达到自密实的高流动性混凝土并不是所有文献上都称之为“自密实”或其它如“免振”等,如明石大桥的混凝土无论水下还是水上,都是不振捣的;美国西雅图双联广场钢管柱混凝土也是不振捣的,但都没有称做“自密实或“免振”等,因为在“拥挤的部位”“尽管可得到高坍落度而自流平,但仍需稍加振捣以保证混凝土的足够密实”,也就是说,并非任何工程浇筑的混凝土都能够完全不振捣,需要在施工规程中加以区别,否则反而会引起质量问题。

（5）自密实混凝土由于质量对原材料和配合比很敏感,要求严格的施工管理制度。

实践表明,进行过自密实混凝土施工后,可有力地推动施工管理水平的提高,但在管理水平低、缺少技术人员的工程中不宜采用。

高性能自密实混凝土在工程中的应用１试验研究1.1原材料水泥:

河南上街525号普通水泥,28ｄ抗压强度55.0ＭＰａ,425号矿渣水泥,28ｄ抗压强度45.0ＭＰａ。

粉煤灰:

首阳山Ⅰ级、郑州电厂Ⅱ级粉煤灰。

膨胀剂:

北京贝思达ＣＥＡ。

硅灰:

山西忻州产硅灰,SiO2含量占92%。

砂:

卢山中砂,细度模数为2.7,含泥量1.2%。

石子:

新密粒径５～２５ｍｍ连续级配碎石,含泥量0.3%,压碎指标８%。

外加剂:

中建八局一公司YNB高性能超塑化剂,减水率28%,泌水率80%,抗压强度比140%。

1.2混凝土配合比设计高性能自密实混凝土是在较低水灰比条件下,利用外加剂和掺合料的调节作用,降低混凝土的屈服应力,同时混凝土拌合物又具有足够的塑性粘度,使骨料悬浮在水泥浆中,不泌水,不离析,填充钢筋和模板空间,形成均匀致密结构,硬化后具有良好力学性能及耐久性能。

采用的技术路线是利用高性能超塑化剂和粉煤灰等掺合料,降低混凝土的屈服应力和水胶比,提高混凝土流动性,保持适度的粘度系数,经合理的配合比设计,使混凝土高性能化,并用合理便捷的方法,对高性能自密实混凝土工作性定量评价。

在配合比设计中,遵守流动性和抗离析性平衡的原则,遵循水泥用量、粉煤灰掺量、砂率、外加剂掺量四因素,以混凝土坍落度、扩展度、Orimet法流下时间、28ｄ标养强度为考核指标,建立正交试验表,其设计程序如下:

（1）确定混凝土强度等级进而确定试配强度;

（2）计算水灰比;（3）拌合水用量计算;（4）在胶体总体积含量0.35情况下,计算水泥浆各组分的体积含量,确定各组分用量;（5）根据骨料体积0.65,确定各强度等级粗细骨料比例（砂率）,确定粗细骨料用量;（6）确定外加剂的掺量。

1.3高性能自密实混凝土工作性指标及评价高性能自密实混凝土拌合物应具有高流动性和良好的变形能力,且有较好的均匀性和稳定性,能填充钢筋和模板的空间,形成均匀致密结构。

高性能自密实混凝土的流动性、粘聚性、均匀稳定性、填充性和间隙通过性体现了工作性的全部。

我们参考国内外资料,结合首次在山东省立医院的施工经验,提出高性能自密实混凝土工作性指标为坍落度240～260ｍｍ,扩展度大于600ｍｍ,Orimet法流下时间７～17ｓ;扩展度中边差＜10%;穿过Ｌ形仪前后骨料差小于10%。

并用坍落度、扩展度、Orimet法、Ｌ形仪、扩展度中边差进行工作性定量评价。

试验用配合比见表１。

表中Ｃ50、Ｃ60混凝土所用材料:

525号普通水泥,粉煤灰Ⅰ级;Ｃ30、Ｃ40混凝土所用材料:

425号矿渣水泥,粉煤灰Ⅱ级。

表1各强度等级混凝土配合比㎏/m3混凝土强度等级水泥粉煤灰膨胀剂硅灰水砂石外加剂水胶比砂率塌落度/mm扩展度/mmT0/S28天抗压强度比/%C3032085451907301000110.420.422557001597C4038676581806781017130.350.42606509130C5042862601756881032160.320.425065012101C604307158601706381041170.290.382406501399表2标养震捣与自密实混凝土抗压强度的比较Mpa砼强度等级标养28天震捣标养28天免震C3040.842.441.539.239.041.242.040.0C4051.350.553.049.550.449.851.558.2C5063.864.463.466.665.762.863.065.4C6072.874.276.779.472.274.774.281.71.4高性能自密实混凝土的坍落度、扩展度及其损失坍落度、扩展度作为高性能自密实混凝土工作性的便捷定量评价方法,在应用中同样存在坍落度、扩展度损失问题。

试验中发现,坍落度损失和扩展度损失并不同步,扩展度损失一般先表现出来,这可能是由于扩展度的增加必须通过自身的流淌和重力的推动作用,使其拌合物一起向前移动才能有效地表现出来。

扩展度损失与坍落度损失原因相同,有物理、化学因素,试验中通过改善外加剂的组成和掺入大量粉煤灰等有效措施,较好地控制了坍落度损失,１ｈ的损失小于10ｍｍ,扩展度１ｈ的损失后仍大于600ｍｍ。

1.5高性能自密实混凝土的力学性能和耐久性能在同材料、同配合比条件下做振捣和免振的28ｄ标养强度试验及自密实混凝土的抗冻、抗渗试验。

经检测其抗压强度基本一致,在５%范围内波动,见表２。

底板Ｃ40、Ｐ12混凝土的抗冻等级达Ｆ100,抗渗等级达Ｐ40。

２高性能自密实混凝土的施工本工程地下室为超长结构,其底板为1.85ｍ厚Ｃ40大体积混凝土,地下室外墙为Ｃ60。

施工中要考虑混凝土的工作性、力学性能,而且要较好地控制混凝土裂缝。

Ｃ40底板混凝土一次浇筑完成,Ｃ60外墙设计后浇带,分段浇筑,较好地解决了裂缝问题。

混凝土拌合的投料顺序为砂、石、水泥、膨胀剂、粉煤灰、外加剂,搅拌３min后出料。

底板混凝土采用蓄热养护法,覆盖一层塑料布,二层麻袋,保持麻袋湿润,７ｄ后改为浇水养护;外墙及柱拆模后,外包麻袋浇水养护。

对底板5020ｍ3自密实混凝土历时２ｄ一次浇筑成功,混凝土坍落度250ｍｍ,扩展度600ｍｍ,混凝土强度平均值44.3ＭＰａ;Ｃ60混凝土地下部分1700ｍ3,试件抗压强度平均值65.7ＭＰａ,施工完成后,对底板自密实混凝土进行抽芯和抗冻、抗渗检测,芯样强度４７ＭＰａ,成型试件抗冻等级Ｆ100,强度损失率８%、重量损失率３%,抗渗等级Ｐ40。

高抛免振捣自密实混凝土[摘要]本文提出了对高抛免振捣自密实钢管混凝土性能的评价方法、性能指标以及相应的试验方法。

根据上述方法对配置的免振捣自密实钢管混凝土拌合物进行试验验证,并进行了两次与现场施工状况完全相同的模拟高抛试验。

从模拟高抛试验的检测结果可以证明,本文提出的研制高抛免振捣自密实混凝土的一整套技术是切实可行的。

[关键词]高抛免振捣自密实混凝土钢管混凝土高性能混凝土混凝土外加剂1高抛免振捣自密实混凝土性能评价方法及性能指标1.1高抛免振捣自密实混凝土拌合物性能评价方法和试验方法1.1.1坍落度S1p和坍落扩展度Lsf坍落度是用来评价混凝土拌合物流动性的最常用的方法。

但是当混凝土拌合物的坍落度大于25cm时,就显得无能为力了。

为弥补这一点,一种普遍采用的方法是测量坍落扩展度以及扩展速度。

坍落扩展度不但是衡量混凝土拌合物流动性好坏的一个很直观的方法,而且也可以从坍落扩展的过程中判断混凝土拌合物的抗离析性能。

扩展速度是通过从坍落度筒上提开始计时,流至直径为50cm时的时间来计量的。

从流变力学的角度来看,扩展速度可以反映混凝土拌合物的粘度系数η。

但是测定坍落扩展速度要求很高,在实际施工中较少采用。

坍落度和坍落扩展度试验影响因素较大,如铁板表面的含水率、坍落度筒上提的速度和垂直度、扩展度测量时间、扩展的均匀程度等因素有关。

但坍落度试验简单易行,而且从坍落扩展的过程中,可以目测混凝土拌合物抗离析能力,故坍落度和坍落扩展度试验可作混凝土拌合物初步控制用。

所以有些工程在实际施工中就把坍落度和坍落扩展度作为控制免振捣自密实混凝土拌合物性能的一种方法。

1.1.2充填性试验用U型仪做混凝土拌合物充填性试验是被实践证明评价混凝土拌合物充填性最有效的方法。

U型仪分左右两腔,中间有距底板一定距离的隔板分开。

试验时用挡板挡住间隙。

将混凝土装入左侧箱内,装满后上提挡板,混凝土拌合物从底部间隙流过,测量2min时两侧混凝土的高差H。

1.1.3流动性试验用L型流动仪做流动性试验克服了坍落度试验的不足,受人为因素影响较小,是衡量流动度的一个较理想的方法。

试验时把L型流动仪置于水平位置,混凝土拌合物装入左侧箱内,用抹刀抹平后上提隔板,量取2min混凝土流动的长度Lf。

1.1.4抗离析性能试验混凝土拌合物抗离析性能可以通过U型仪试验后左右两腔粗骨料对含量ΔG来判别。

如果混凝土拌合物抗离析性能欠佳,先装入的那一腔混凝土粗骨料会下沉,左右两腔混凝土的粗骨料相对含量就会有较大差别,这样就能判别混凝土拌合物的抗离析性能。

通过坍落扩展度试验,目测混凝土拌合物的抗离析性能。

要求粗骨料中间不集堆,而且混凝土拌合物扩展边缘无砂浆析出。

1.1.5模型试验模型试验是模拟实际工程中局部的施工条件,制作模拟试验模型,进行验证性试验。

1.2混凝土物理力学和长期耐久性能评价高抛免振捣自密实混凝土的物理力学和长期耐久性能的评价方法与C60混凝土相同。

1.3高抛免振捣自密实混凝土性能指标1.3.1混凝土拌合物性能指标坍落度S1p≥255mm;坍落扩展度Lsf≥600mm;充填性H≤5mm;流动性Lf≥700mm;抗离析性ΔG≤7%;保塑性90min内满足以上各项指标要求。

1.3.2混凝土力学性能指标应达到相应强度等级的普通混凝土力学性能指标。

其耐久性指标,除应满足设计要求外,为避免混凝土收缩产生裂缝,按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82—85）要求的标准试验方法,28d收缩值不宜大于0.3mm/m。

2高抛免振捣自密实混凝土的配制2.1混凝土原材料水泥:

小野田525硅酸盐水泥;外加剂:

中国建筑科学研究院生产CABR-SF高性能混凝土外加剂,减水率达到35%,且具有增强、保塑、增稠、减缩和降低混凝土拌合物剪应力等综合效应;掺合料:

深圳妈湾电厂级粉煤灰;砂子:

深圳东莞中砂,表观密度2620kg/m3,含泥量1.1%,泥块含量0.4%,细度模数2.7;石子:

深圳深云碎石,表观密度2640kg/m3,含泥量0.8%,泥块含量0.4%,压碎指标6.9%,最大粒径25mm。

2.2混凝土配合比（见表1）表1混凝土配合比（重量比）kg水泥粉煤灰水外加剂砂石42018017220.227598560.70.30.310.0341.2651.4272.3配合比的验证试验验证试验目的是要验证特定配合比的混凝土各种性能的复演性。

验证其充填性和流动性在每盘中的复演性以及其配制强度是否符合规定的要求。

验证试验结果如下:

（1）坍落度平均值为27.7cm;坍落度之间相差的最大值为1.9cm。

（2）坍落扩展度均值的平均值为79.2cm;坍落扩展度平均值之间相差的最大值为6.25cm;坍落扩展度均值:

每个坍落扩展度两垂直方向相差的最大值为10cm;从坍落扩展度试验中可以观察到混凝土的抗离析性能很好。

（3）U型仪高差平均值为0.8mm;U型仪高差之间相差的最大值为2mm。

（4）L型仪流动度平均值为933mm;L型仪流动度之间相差的最大值为105mm。

（5）混凝土拌合物的抗离析性能试验结果如表2所示,ΔG=4.9%～5.5%。

表2抗离析性能试验H1G1G1/H1H2G2G2/H2G1+G2H1+H2ΔG19.667.170.36417.055.900.34613.0736.170.04916.796.770.40314.326.100.42612.8731.110.055注:

ΔG=|（G1/H1-G2/H2）|/[（G1+G2）/（H1+H2）]式中:

ΔG为抗离析性;H1为一腔的混凝土重量;H2为另一腔的混凝土重量;G1为一腔的粗骨料重量;G2为另一腔的粗骨料重量。

（6）对试验编号为Y2-7的这一盘做了90min后的保塑性试验,其结果如表3所示,证明保塑性符合要求。

表3保塑性能试验S1p（cm）Lsp（cm）Lf（mm）H（mm）ΔG（%）时间（min）27.584×74.528755.51027.076×7438201.5590（7）用优化后的配合比配制的混凝土拌合物的充填性、流动性和抗离析性能是非常稳定的。

（8）用免振捣方法成型了3d、7d、28d检测强度的试件;且每盘用插捣方法成型一组与免振捣方法成型的混凝土试件强度作对比。

免振捣成型的混凝土28d强度最大值为75.5MPa,最小值为63.8MPa,平均值为69.8MPa,强度标准差为2.36MPa;插捣成型的混凝土28d强度最大值为73.2MPa,最小值为62.5MPa,平均值为69.6MPa,强度标准差为3.67MPa;由此可以得出:

28d免振捣成型的强度完全满足C60强度等级的要求。

而且其离差很小,说明这种混凝土的力学性能比较稳定。

免振捣成型的强度略高于插捣成型的强度,其标准差也小于插捣成型的标准差。

这说明用免振捣成型对免振捣自密实混凝土的强度没有任何影响,从某种意义上说,只有用免振捣成型的方法才更适用于这种性能的混凝土。

3模拟试验模拟试验是完全模拟赛格广场钢管混凝土的真实施工状况,对具有2.3性能的高抛免振捣自密实混凝土的保持性能、施工性能、成型后的自密实性能及力学性能进行进一步的试验验证。

模拟试验由中建二局深圳南方公司赛格项目组负责实施。

模拟试验采用18mm厚胶合板加工成1600mm×1800mm和800mm×1800mm半圆形模板,内包