膨胀加强带在超长混凝土结构中的应用

1 工程案例概况

该研究主要以曹县水厂项目为案例，该项目涉及曹县三干沟、富华河河道疏浚及附属设施项目二期 - 曹县水处理厂 (EPC)，污水范围主要包括曹县富民大道以北的县城，水厂厂址主要位于曹县青岛中路以东，汉江路以南以及京九铁路以西的新征用地，占地面积为 55 亩。水处理厂现阶段设计规模为 3.0 万m³/d ，未来设计规模 5.0 万 m³/d 该项目中涉及大量超长混凝土结构，主要覆盖范围包括污水处理厂的大型水池等，其长度超过 100m 。这些结构主要以混凝土结构形式为主，采用框架结构 + 钢筋混凝土水池的组合方式，其中，大型水池结构池底增设膨胀加强带代替后浇带，因此，池体浇筑需借助补偿收缩性混凝土，在混凝土中增加抗裂防冻剂与膨胀剂。在实际施工过程中，项目顺利实施的关键在于如何借助膨胀加强带解决超长混凝土结构的收缩开裂问题，以下将展开详细的分析探讨。

2 膨胀加强带材料性能与配比优化

为了更好的施工，保证项目质量，根据曹县水厂项目中超长混凝土结构的要求，对膨胀加强带的材料性能与配比优化进行了专业对比与研究。

2.1 不同类型膨胀剂性能对比

通过对不同膨胀剂性能的对比，选择了适合该项目的膨胀剂。主要对比了硫铝酸钙类、氧化钙类、复合型膨胀剂，在不同养护条件下的膨胀特点，主要包括膨胀速度、膨胀量以及膨胀稳定时间。分析其对混凝土自收缩补偿能力的影响。并结合曹县水厂项目中水池结构的验收和施工环境，对膨胀剂的适用性进行了评估与选择，确保材料选择的科学性和有效性。

2.2 膨胀剂掺量对混凝土性能的影响

不同的膨胀剂参量对混凝土性能的影响有所差异，主要研究了膨胀剂掺量（ 0.5%～12% ）对混凝土不同龄期（3d、7d、28d、60d）的抗压能力，抗拉能力以及弹性模量的影响规律，从而选择最优的掺量范围。通过实践分析，选择了适合该项目的膨胀剂掺量，确保了混凝土膨胀性能以补偿收缩。

2.3 不同施工方式下的配比设计

在项目实施过程中采用的连续式膨胀加强带（无缝施工）和间歇式膨胀加强带（分仓施工），需分别进行配比设计。连续式膨胀加强带主要研究高流动性、低收缩补偿混凝土的配比，进而解决膨胀剂掺量与减水剂、缓凝剂的适配性问题，确保浇筑的连续性。间歇式膨胀加强带，研究了界面粘结增强技术对二次浇筑混凝土的膨胀剂掺量梯度进行了深度优化（如分阶段掺入膨胀剂），进而减缓新旧混凝土界面之间的差异。此外，需要选择合适的材料，考虑引入纤维（聚丙烯纤维、钢纤维）和纳米材料（纳米 SiO₂ ）提高加强带的抗裂性能，并对纤维分散性与膨胀剂反应的兼容性进行深入研究。

3 结构参数设计与温度- 应力耦合控制

根据曹县水厂项目中超长混凝土结构的需求与特点，需对膨胀加强带的结构参数设计与温度- 应力耦合控制进行分析研究。

3.1 膨胀加强带布置方案

膨胀加强带布置方案主要研究了，膨胀加强带宽度（ 0.5～2m ）、间距（20-60m ）、结构长度（ 100m 以上）之间的适配关系，凭借数值模拟和足尺试验，选择了适合该项目超长结构的最优布置方案。此外，研究了加强带位置如结构中部、应力集中区对整体应力分布的影响，设计了基于结构受力特征的主次加强带分级布置策略，从而适应该项目在不同结构部位的受力需求，以此有效提升整体工程的质量。

3.2 温度- 应力耦合控制

为了确保对该工程的施工质量进行高质量的把控，根据该项目的需求，建立了大体积混凝土水化热 - 环境温度 - 膨胀应力的多场合耦合模型，并研究了不同季节施工时温度梯度对膨胀应力释放效率的影响，从而应对该地区在不同季节的气候条件。开发了分阶段补偿技术 : 在早期阶段借助膨胀剂补偿温降收缩，后期借助自身膨胀补偿干燥收缩，防止应力叠加导致混凝土开裂。此外，提出了实时监控的温度调控方法，借助冷却水管布置于保温养护方法，对膨胀应力发展路径进行深度优化，进一步确保了混凝土结构施工的质量。

4 关键技术应用

在曹县水厂项目的实施过程中，形成并应用了多项关键技术，确保了膨胀加强带在加强混凝土结构中的应用，确保了施工的质量。

4.1 多因素耦合配比优化技术

为了有效优化该工程的施工质量，在施工时借助正交试验与响应面法，完成了膨胀剂参量、水胶比、外加剂种类与混凝土工作性、强度、膨胀率的量化关系模型。并开发了机器学习的配比智能推荐系统，在该系统中可以输入项目的结构尺寸和环境的温度与湿度等各类参数，从而自动生成优化配比方案，同步通过实时数据反馈动态调整，显著提升施工适配性与质量稳定性，极大提高了配比设计的效率和质量。

4.2 膨胀应力动态调控技术

在膨胀动力学试验（自由膨胀、约束膨胀）的基础之上，构建了膨胀应力-时间 - 温度耦合模型，该模型可以在不同的施工状况下预测有效补偿应力。提出的梯度掺量法，可在间歇式加强带界面区域设计膨胀剂掺量梯度（如核心区高掺量、边缘区低掺量），有效解决了应力不平衡的现象，主要适用于项目中间歇式加强带的施工当中。

4.3 参数化设计与智能优化技术

借助有限元软件（如 ABAQUS、ANSYS）实现参数化建模，并分析了在不同参数下结构的最大主应力、裂缝宽度，从而生成了抗裂性能与工程成本的帕累托最优解集。开发了结构设计辅助软件，对规范要求、材料参数、工程案例的数据要求进行收集，从而形成了信息库，实现了加强对布置方案的更新优化与验证，提高项目设计的效率和质量。

4.4 热- 力耦合实时调控技术

为了能够更好把控施工质量，施工前构建分布式光纤测温系统和应变监测系统，在施工时对混凝土的温度和膨胀力进行实时监测，实现养护策略的动态调整。并提出了主动补偿技术 : 当温度和湿度发生极大落差时，可以实现局部喷洒养护剂或者覆盖保温材料，有效释放膨胀应力，确保项目施工过程中混凝土结构的稳定性和安全性。

结束语

在曹县水厂项目中的应用研究中发现，膨胀加强带在超长混凝土结构中能够有效缓解收缩开裂问题。需有效选择合适的膨胀剂类型与掺量、优化混凝土配比、设计科学的加强带结构参数、通过应力 - 时间 - 温度耦合模型控制，并借助膨胀应力动态调控、多因素耦合配比优化等技术，确保超长混凝土结构的安全性和稳定性。在未来，需深入研究膨胀剂与其他材料的协同作用，开发出性能优异的复合型膨胀材料。此外还需要借助各类高科技，智能化技术，提高膨胀加强带在实际中的应用。同时，可通过类似于该项目的工程实践，对膨胀加强带技术进行优化升级。

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