Раздел 8 Электротермообработка железобетонных изделий.

7. .1 Разновидности, достоинства и недостатки электротермообработки жби.

В заводской технологии сборного железобетона тепловлажностная обработка при централизованном пароснабжении уровень энергозатрат с учётом спада производства составляет 0,6…1,2 Гкал/м³ (700…1400 квт.ч/м³), что в 2…4 раза превышает нормативное теплопотребление и более чем в 10 раз превышает аналогичные показатели заводов жби стран Западной Европы.

В доперестроечной России средний расход пара на 1 м³ сборного железобетона составлял 600 кг (на производство этого пара тратилось 46 кг условного топлива) из-за неудачных конструкций, приводящих к непроизводительным его потерям. На передовых предприятиях Москвы расход пара в среднем составлял около 300 кг/м³ (23 кг условного топлива). По нормативым при использовании ямных пропарочных камер с эффективной теплоизоляцией расход пара не должен превышать 170…200 кг/м³ сборного железобетона (13…15 кг условного топлива). Количество ямных камер пропаривания жби, находящихся в эксплуатации, составляет более 50 000, а термоформ и кассетных установок с тепловыми отсеками – более 12000. пропаривание обеспечивает оптимальные влажностные условия в зоне контакта пара с открытой поверхностью железобетонных изделий, уменьшает или предотвращает влагопотери из изделитй. Но для пропаривания при использовании острого и глухого пара характерны следующие недостатки:

– перепады тепературы по объёму камеры или теплового отсека из-за расслоения теплоностителя, что вызывает неоднородность прочности и других свойств бетона жби,

– конденсация острого пара на первой стадии тепловой обработки вызывает повышение капиллярной пористости и снижение долговечности жби,

– превышение в 2…3 раза расхода энергоресурсов по сравнению с требуемым,

– необходимость доставки и сжигания большого количества органического топлива,

– выбросы вредных дымовых газов при сгорании топлива.

В современных фирмах, изготавливающих жби, широко внедряются методы электротермической обработки бетона для ускорения его твердения. Под электротермической обработкой бетона понимается комплекс способов ухода за уплотнённым бетоном в процессе выдерживания отформованных изделий, при которых заданный темературный режим твердения обеспечивается в результате преобразования электрической энергии в тепловую непосредственно в самом бетоне или в специальных нагревательных устройствах. Электротермическая обработка жби характерихзуется следующими достоинствами:

• Увеличение в 2…3 раза теплового коэффициента полезного действия камер при централизованном теплоснабжении,

• Реализуются энергосберегающие тепловые режимы, эффективно используется выделяющаяся равномерно по объёму жби тепловая энергия, что сокращает пролжительность тво и повышает качество изделий,

• Стабилизируется уровень экономичного удельного энергопотребления независимо от объёмов производства,

• Надёжная и простая система автоматизации производства способствует энергосбережению и повышению качества продукции,

• За счёт использования установленной мощности в ночное время увеличивается энергоэффективность предприятия,

• Образуются резервы теплоэнергетических мощностей предприятия,

• Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений в условиях относительно стабильно работающих предприятий составляет 5…8 месяцев.

К недостаткам электротермообработки относятся:

• Необходимость соответствующего электрооборудования (трансформаторы, теплообогреватели и др.), которое обеспечивает сухой прогрев бетона, что способствует испарению влаги и недопустимо для изделий из тяжёлого бетона с повышенными требованиями по плотности и стойкости,

• Повышение требований по технике безопасности на рабочих местах по электротермообработке, так как напряжение электрического тока может достигать 380 в,

• Большие пиковые потребления электроэнергии особенно при интенсивном разогреве бетонной смеси.

К разновидностям электротермообработки относятся:

1. электродный прогрев, при котором бетонная смесь или изделие перед формованием, а также в процессе формования включается в сеть переменного тока как активное сопротивление с помощью электродов. В результате прохождения электрического тока выделяется тепло по всему объёму материала или изделия. Количество выделяемого тепла зависит от удельного электросопротивления бетонной смеси и плотности проходящего тока. Скорость прогрева можно регулировать в широких пределах. Используется в основном для неармированных или армированных плоскими сетками изделий. Предварительный разогрев бетонной смеси или свежеуложенного бетона изделия наиболее экономичесн – расход электроэнергии составляет 30…50 квт.ч/м³ бетона (3,6…6 кг условного топлива).

2. электрообогрев – тепло выделяется электронагревателями при подключении их к электрической цепи и режим прогрева не зависит от удельного электросопротивления бетона и характера армирования жбк. Применяется для тонкостенных конструкций, при этом имеется опасность высушивания бетона вследствие испарения влаги через неопалубленные поверхности. Для изделий из конструкционно-теплоизоляционного лёгкого бетона обеспечивает снижение влажности в процессе тепловой обработки. Электрообогрев может осуществляться в металлических злектротермоформах и кассетах с электротепловыми отсеками. Прогрев отформованных жби осуществляется в результате контактного теплообмена от разогретой стенки теплового отсека к бетону. Во избежании тепло и влагопотерь открытые поверхности изделий из конструкционных бетонов укрывают тепловлагоизолирующитми щитами, а днище и борта форм теплоизолируют. Для тепловой обработки в электроформах устраиваются специальные посты, где электронагреватели форм присоединяются к источнику электрической энергии. Формы оснащаются виброустойчивыми электронагревателями и электроизоляцией. Удельный расход электроэнергии составляет 60…80 квт.ч/м³ бетона (7,2…9,6 кг условного топлива).

3. инфракрасный прогрев использует способность тепловых лучей проникать в бетон и разогревать его.в результате лучистого и конвективного теплообмена. Влажность в камере низкая (10…40%), поэтому такая обработка целесообразна для изделий из теплоизоляционного или конструкционно-теплоизоляционного лёгкого бетона класса до В 7,5. для изделий из конструкционного бетона обязательна надёжная защита открытых поверхностей от влагопотерь. Удельный расход электроэнергии составляет 80…100 квт.ч/м³ бетона (9,6 …12 кг условного топлива). Тепловая обработка в камерах индукционного нагрева основана на использовании тепла, выделяющегося из стальных элементов формы и арматуры при помещении их в переменное магнитное поле в результате возникновения вихревых токов и перемагничивания. Удельный расход электроэнергии составляет 100…110 квт.ч/м³ бетона (12…13 кг условного топлива).

8.2 Электродный прогрев.

Обработка бетона электрическим током впервые предложена в 1924 году в Монреале. Авторы пришли к выводу, что электрический ток увеличивает прочность бетона при сжатии, полагая, что направленное движение ионов способствует более равномерному распределению цемета и не учитывали при этом роль температурного фактора. Неправильная концепция объяснения этого явления затормозила внедрение электрообработки в технологию бетона и только в 1932 году шведы А.Грунд и К.Болен выдвинули правильное объяснение этого явления, полагая, что пропускание переменного электрического тока через свежеуложенный бетон вызывает его нагревание и ускорение реакции гидратации цемента. Они опубликовали свои исследования, но практическое внедрение их исследований произошло в 40 – х годах в Японии при возведении монолитных жбк. В нашей стране внедрение электро прогрева началось с 1932 года и в 1934 году была опубликована первая инструкция по электропрогреву монолитного железобетона, для сборного железобетона этот метод начал применяться позднее.

Наиболее распространённым способом электротермообработки является электродный прогрев, при котором стальные электроды контактируют с бетоном прогреваемой конструкции и подключаются к электрической сети. Сущность электродного прогрева заключается в пропускании через бетон переменного электрического тока промышленной частоты (50 герц) и преобразовании электрической энергии в тепловую. Применение для электродного прогрева постоянного тока вместо переменного нерационально из-за:

• необходимости иметь специальные генераторы постоянного тока,

• коррозии стальных электродов выделяющимся на аноде при электролизе воды кислородом,

• экранирования поверхности электродов образующимися пузырьками газов.

Тепло выделяется равномерно по всему объёму, что позволяет существенно ускорить скорость разогрева. Для организации электродного прогрева не требуются тепловые установки и устройства для подачи пара, отвода конденсата, вентиляционные системы, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении сборного железобетона, повышается коэффициент полезного действия тепловой обработки.

Бетонная смесь и свежеуложенный бетон обладают электропроводимостью благодаря наличию раствора электролита, содержащего ионы щелочных металлов, кальция, гидроксильного и сульфатного и других ионов, особенно при введении в состав бетона добавок электролитов. По закону Джоуля-Ленца количество тепла Q в джоулях, выделяемое в участке проводника при прохождении электрического тока прямо пропорционально квадрату тока I в амперах, сопротивлению участка R в омах и времени прохождения тока t в секундах:

Q = I²Rt.

Одним из основных параметров электродного прогрева уложенного бетона является его удельное электросопротивление:

(ом.см),

где R – сопротивление бетонной призмы с площадью сечения S (7х7 или 10х10 cм²) и длиной l (20 или 30 см), определяемое при напряжении U на электродах, установленных на торцах призмы, при величине тока I, проходящему по бетону.

Для измерения удельного сопротивления бетонная смесь укладывается в форму, у которой боковые стенки и днище изготовлены из диэлектрика, а торцевые стенки, служащие электродами, из металла. Образец включается в электрическую сеть переменного тока, по которой пропускается ток строго фиксированного напряжения. Регулирование напряжения осуществляется лабораторным автотрансформатором, ток измеряется с погрешностью не более 1 А, напряжение – не более 1 В.

При подключении приборов по схеме А (рис.153) – вольтметр установлен параллельно образцу бетона и амперметру,

R = U/I - R_a ; ,

где Rа – собственное сопротивление миллиамперметра

Рис.153 Схема А определения удельного сопротивления бетонной смеси; 1 – форма с образцом бетонной смеси, 2 – амперметр, 3 – вольтметр, 4 – металлические электроды.

При подключении приборов по схеме Б (рис.154) – вольтметр установлен параллельно образцу бетона,

R = U/I , при Rv >>R ,

где Rv– сопротивление вольтметра.

Если Rv примерно равно R, то.

, .

Рис.154 Схема Б определения удельного сопротивления бетонной смеси; 1 – форма с образцом бетонной смеси, 2 – амперметр, 3 – вольтметр, 4 – металлические электроды.

Так как удельное сопротивление бетона в процессе электродного прогрева изменяется (рис. 155), то различают начальное = 3…28 ом.м и минимальное =1,5…20 ом.м. В каждом конкретном случае их следует уточнять экспериментально. Расчётное удельное сопротивление принимают: .

Рис. 155 Изменение удельного сопротивления бетонной смеси в процессе электродного прогрева.

При известном можно принять для тяжёлых бетонов = =0,85 , а для лёгких на поритсых заполнителях = 0,8 .

При неизвестном его принимают для тяжёлых бетонов = 5ом.м, для лёгких – =8 ом.м.

На величину удельного сопротивления бетона влияет главным образом состав и количество жидкой фазы в единице объёма. На состав жидкой фазы, особенно в начальный период гидратации цемента, влияет содержание щелочей в цементе. Разница в значениях удельного сопротивления бетонов, приготовленных на портландцементах одинакового минералогического состава, но с различным содержанием щелочей может достигать более 5 раз.

Уменьшение или увеличение количества жидкой фазы в бетоне вызывает соответственно увеличение или уменьшение удельного сопротивления. Это обусловлено изменением концентрации электролитов в жидкой фазе. Например, с повышением водосодержания со 135 до 225 л на 1 м³ бетонной смеси удельное сопротивление снижается в 2,4…2,6 раза.

Введение в бетон химических добавок электролитов приводит к уменьшению удельного сопротивления, а введение добавок ПАВ или воздухововлекающих (ЛСТ, СНВ, ГКЖ и др.) не изменяет удельное сопротивление.

Снижение удельного сопротивления при введении электролитов зависит от первоначальной величины этого показателя бетона неизменного состава, но без добавок электролитов. Степень снижения тем больше, чем выше , поэтому влияние вида и количества добавок на удельное сопротивление бетона каждого состава должно определяться опытным путём.

Для лёгких бетонов в начальный период прогрева удельное сопротивление выше, чем для тяжёлого бетона при неизменных расходах воды и цемента из-за поглощения части воды затволрения пористым заполнителем. По мере подъёма температуры жидкая фаза вытесняется из заполнителя и величина удельного сопротивления уменьшается.

Предварительное выдерживание бетона перед электропрогревом особенно при низкой положительной температуре незначительно уменьшает удельное сопротивление. К началу электро прогрева температура бетона должна быть не менее +3…5 ^оС.

Скорость разогрева при этом способе прогрева должна быть не более 30 ^о/час, при такой скорости практически не изменяется удельное сопротивление. По мере разогрева бетона его удельное сопротивление уменьшается, минимальное значение достигается при температуре бетона 50…60 ^оС, а затем удельное сопротивление повышается.

При правильно выбранном режиме прогрева и соблюдении руководств по технологии электропрогрева расход электрической энергии не превышает 60 квт.ч на 1 м³ тяжёлого бетона и 45 квт.ч на 1 м³ лёгкого бетона. Электродный прогрев производят на специальных стендах с соблюдением правил техники безопасности: ограждение, блокировка, сигнализация и др. Максимальная температура изотермического прогрева не должнп превышать 80 ^оС для бетона на портландцементах , 70 ^оС – на быстротвердеющих цементах и 95 ^оС – на шлакопортландцементах.

Одним из непременных условий нормального протекания процесса электропрогрева до достижения бетоном 50…70 % прочности является сохранение в достаточном количестве жидкой фазы. В первую очередь испаряется вода в приэлектродной зоне, бетон высыхает и становится диэлектриком, для восстановления его проводимости нужно при отключенном токе увлажнить приэлектродные зоны

Тепловая обработка может быть организована с плавным, импульсным или ступенчатым подъёмом температуры. Максимальная скорость разогрева не должна превышать 20 ^оС/ч для изделий в открытых формах и 30 ^оС/ч в закрытых или с пригрузом.

Во время электродного прогрева нужно до минимума снизить потери влаги, поэтому важно соблюдать режим тепловой обработки и обеспечить термовлагозащиту открытой поверхности изделия. Режим тво принимается обычно более мягкий, чем при пропарке:

• подъём температуры со скоростью до 5 ^оС/ч для изделий с модулем поверхности М_п<4, 8 ^оС/ч с М_п =4…6, 10 ^оС/ч с М_п =6…10, 15 ^оС/ч для каркасных и тонкостенных жбк длиной до 6м, до 20 ^оС/ч для стыков,

• изотермический прогрев при 60…70^оС,

• скорость охлаждения 15…20 ^оС/ч.

При таких режимах можно достичь 65…75 % от марочной прочности за 20…24 часа. Для обеспечения равномерного нагрева бетона изделий устанавливается максимальная плотность тока (до 2,5 а/дм²) и величина токопроводящей поверхности электродов. Прогрев начинают при напряжении 50…60 в, по мере роста прочности напряжение повышают до 110…120 в, более высокие напряжения обычно используются при коротких режимах тепловой обработки и сопровождаются интенсивной потерей влаги, поэтому используются для тепловой обработки изделий с нормируемой отпускной влажностью.

Равномерность распределения температуры в бетоне зависит от его однородности. При различной электропроводности отдельных участков изделий в прогреваемом бетоне возникают перепады температуры до 20…40 ^оС. При отсутствии защитных покрытий наружной поверхности изделий от теплопотерь перепад температуры между ядром изделия и периферией также достигает значительных величин (до 30 ^оС). В густоармированных жби близкое расположение армированных зон к электродам приводит к неравномерности электрического поля, что вызывает излишний расход электроэнергии и неоднородное температурное поле, а следовательно и формирование неоднародной прочности бетона изделий.

Требуемая мощность при подъёме температуры определяется теплотехническим расчётом по формуле

Р_п = Р₁+Р₂+Р₃-Р₄ = ,

где Р₁,Р₂,Р₃,Р₄ – мощности для подъёма температуры бетона, опалубки и укрытий открытой поверхности изделий, восполнения потерь в атмосферу, а также среднее значение мощности, эквивалентное экзотермии бетона, кВт/м³,

с_б, с_о – удельная теплоёмкость бетона и каждого слоя опалубки или укрытия, кДж/кг.^оС,

средняя плотность бетона и каждого слоя опалубки или укрытия, кг/м³,

V – скорость подъёма температуры бетона, ^оС/ч,

Мп – модуль поверхности прогреваемой жбк, м^-1,

толщина каждого слоя элементов опалубки или укрытия, м,

t_н – температура нагрева бетона, ^оС,

t_в – температура наружного воздуха, ^оС.

Требуемая мощность кВт/м³ в период изотермической выдержки бетона определяется:

Р_и = КМ_п(t_н –t_в) /1000

К – коэффициент теплопередачи отбетона через поверхность опалубки к воздуху, кдж/м².^оС.час

коэффициент, учитывающий влияние ветра на теплопередачу.

Удельный расход электроэнергии в кВт.ч/м³:

W = (Р_пТ_п+Р_иТ_и)/V_изд,

где Т_п, Т_и – ­ продолжительность подъёма температуры и изотермической выдержки, час,

V_изд – объём прогреваемого бетона, м³.

Величина тока а|м³ при электродном прогреве бетона определяется по формуле:

I = 1000 Р_пК₁/U,

где К₁ – коэффициент снижения удельного сопротивления бетона от его расчётной до минимальной величины, К₁ =1,2,

U – напряжение на электродах, в.

Основные схемы электропрогрева уложенного в форму бетона приведены на рис.156.

Рис. 156 Основные схемы электродного прогрева уложенного в форму бетона

а – сквозной прогрев пластинчатыми электродами,

б – использование арматурных сеток как электродов для сквозного прогрева,

в – сквозной прогрев полосовыми электродами,

г – односторонний периферийный прогрев,

д – двухсторонний периферийный прогрев полосовыми электродами,

е – прогрев одиночными стержневыми электродами,

ж – прогрев струнным электродом изделий, армированных 4 стержнями по углам сечения,

з – прогрев струнным электродом изделий, армированных часто расположенными арматурными стержнями.

Для получения одинаковой температуры во всех точках изделий тепловыделение должно быть равномерным, следовательно, плотность тока должна быть одинаковой, что обеспечивается выбором оптимальной схемы размещения электродов и величиной подводимого напряжения.

При электропрогреве применяются:

• Пластинчатые и полосовые электроды из стали Ст3 толщиной 1,5…2 мм, их укрепляют через 10…20 см на внутренней стороне вертикальных поверхностей формы, концы выводят наружу для присоединения к ним проводов (форма изготавливается из диэлектрика). Для прогрева настилов и плит толщиной до 15 см в кассетах применяют одностороннее расположение полосовых электродов.

• Стержневые электроды устанавливают на расстоянии 20…30 см, их применение приводит к повышенному расходу металла, так как они остаются в бетоне, требуются дополнительные затраты труда для их установки.

• Сплошные металлические листы электродов могут одновременно служить в качестве боковых стенок или днища формы, в которой изготавливается изделие.

• В качестве электродов могут применяться арматурные стержни, сетки или каркасы

Электрооборудование выбирается в зависимости от наибольшей мощности Р^мах_уд, требуемой к концу разогрева. Для пластинчатых электродов:

Р^мах_уд = U².10^-3/в².

где U – напряжение на электродах, в,

в – расстояние между разнофазными электродами, м,

– расчётное удельное электросопротивление уложенного бетона, Ом.м.

Расчётная электрическая мощность трансформатора:

Р_расч = Р^мах_уд.V_изд.k/ ,

где V_изд – объём одновременно прогреваемого бетона, м³,

– кпд и коэффициент мощности трансформатора, =0,9, k – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки, k=1,3…1,5.

При электродном прогреве бетона для поддержания на электродах постоянного или изменяющегося по требуемому режиму нагреве напряжения используют трансформаторы с регулируемым напряжением.

8.3 Предварительный электроразогрев бетонной смеси. Форсированный электроразогрев.

Электропрогрев бетона жби затрудняется наличием арматуры и в ряде случаев возникает необходимость изменения или усложнения армирования. Это не требуется, если бетонную смесь быстро за 8…10 минут разогреть до 70 и более градусов, пропуская через неё переменный ток промышленной частоты с напряжением до 380 в. Разогретая предварительно бетонная смесь в последующие 10…15 минут должна быть уложена в форму и уплотнена. В результате последующего твердения получается бетон с повышенной плотностью, прочностью и стойкостью по сравнению с электро прогретым бетоном. Так как нагрев уплотнённой бетонной смеси приводит к увеличению пористости вследствие расширения паровоздушной смеси, перепадов температуры и испарения части воды затворения, то при уплотнении уже разогретой бетонной смеси эти причины практически полностью устраняются, что и способствует повышению качетва бетона.

Предварительный электроразогрев бетонной смеси был предложен в Новокузнецком филиале УралНИИСтромпроект в 1963 году А.С.Арбеньевым, в дальнейшем принимал участие в широком исследовании и применении этого метода проф. С.А.Миронов (НИИЖБ).

Кратковременный разогрев бетонной смеси до 70…80 ^оС является единственным способом тепловой обработки, не вызывающим деструкцию бетона и потерю прочности и стойкости. Через 28 суток коэффициент деструкции такого бетона больше единицы – К_д = R_тво ²⁸/ R_нт ²⁸ >1. Причина этого в том, что быстрый разогрев бетонной смеси осуществляется до начала структурообразования цементного камня в бетоне. В результате быстрого разогрева бетонная смесь разрыхляется, а затем подвергается соответствующему уплотнению. Разогрев может производится в ёмкостях, в которые опускаются стальные электроды. В качестве таких ёмкостей могут использоваться бункера бетоноукладчиков, емкости для транспортирования бетонной смеси, даже кузова автосамосвалов. Разогрев осуществляется на специальном посту, оборудованном блоком электродов, для погружения в бетонную смесь этот блок оборудовании вибраторами и ограничителями, обеспечивающими погружение на определённую глубину. В бункерах бетонная смесь должна иметь горизонтальную поверхность, так как неравномерное заглубление электродов может привести к неоднородному разогреву. Для лучшего стекания тока нижние грани плоких электродов закругляются (приваривается отрезок трубы). Температура контролируется по температурным датчикам и по величине пропускаемого тока и напряжения. В процессе разогрева может быть местный перегрев в электродной зоне или недогрев при перегруженной ёмкости. Разогревается первоначально токопродящая среда –цементное тесто, а затем теплопередачей нагреваются зёрна заполнителей. Прогрев зёрен крупного заполнителя отстаёт от температуры цементного камня, при наибольшей крупности крупного плотного заполнителя 40 мм прогрев зёрен идёт 4…6 минут после достижения максимальной температуры разогрева, а пористого той же крупности – 8…12 минут. Поэтому в процессе разогрева для устранения перепадов температур производится выдержка при максимальной температуре.

Установки периодического действия (бункера, ёмкости опрокидные или вращающиеся) отличаются большой универсальностью, но коэффициент использования их не более 0,5. Установки непрерывного действия позволяют устранить этот недостаток и обеспечивают регулирование скорости разогрева. Установки со шнековыми затворами (рис. 157) перемешивают и перемещают бетонную смесь после её разогрева. Изменяя частоту вращения шнека, получают требуемую плотность потока разогретой смеси.

Р ис. 157 Установка электроразогрева бетонной смеси непрерывного действия

1 – приёмный бункер бетонной смеси,

2 – вибратор,

3 – электродная камера,

4 – шнек,

5 – привод шнека.

Мощность и расход электроэнергии зависят от вида электроразогрева: при периодическом электроразогреве длительностью 6…10 минут потребляемая мощность 350…450 квт, удельный расход электроэнергии составляет 50…100 квт.ч/м³, при непрерывном соответственно 500…600 квт и 75…150 квт.ч/м³.

Винтовые электронагреватели (рис. 158) состоящие из цилиндрического горизонтального корпуса с валом из диэлектрика со стальными лопастями-электродами, перемешивают смесь в процессе её разогрева. Если дополнительно поставить вибратор и шнек сделать напорным, то происходит прессование бетонной смеси, что позволяет уменьшать В/Ц, при неизменной прочности экономить цемент или получать бетон на 30…40 % прочнее, чем при бункерном разогреве.

Рис.158 Установка непрерывного действия для электроразогрева бетонной смеси 1 – копус, 2 – шнековые лопасти-электроды, 3 – вал из диэлектрика, 4 – приёмное устройство.

Первоначальное удельное сопротивление зависит от состава бетонной смеси и вида цемента, вид цемента до 3 раз может изменять величину (от 550 до 1500 ом.см), содержание воды затворения изменяет на 25%, введение добавок электролитов может снизить в 5 раз. При электроразогреве бетонной смеси удельное сопротивление уменьшается до 6…8 минут, а затем начинает увеличиваться с повышением температуры, уменьшается достигая . Уменьшение начального удельного сопротивления происходит вследствие насыщения жидкой фазы электролитами, а дальнейшее повышение вызвано, главным образом, испарением воды. Как правило, температура разогрева бетонной смеси не превышает 70…75 ^оС, так как при большей температуре интенсивно удаляется вода вплоть до вскипания бетонной смеси.

Процесс разогрева условно делится на три периода (рис. 159):

1. простое разогревание около 5 минут (до 45 ^оС) – происходит снижение удельного сопротивления и небольшие потери воды (около 2 %),

2. эффективный разогрев до 10 минут (до75 ^оС) –незначительное возрастание удельного сопротивления, потери воды до 4 %, температура между компонентами бетона выравнивается,

3. деструктивный разогрев дольше 10 минут (свыше 75 ^оС) – большой рост удельного сопротивления, потери воды до 10…14 %, что вызывает резкое снижение первоначальной удобоукладываемости бетонной смеси.

Рис.159 Изменение удельного сопротивления (верхний график), температуры и влагопотерь (нижний график) в процессе форсированного разогрева бетонной смеси

При укладке горячей бетонной смеси в холодную форму её температура снижается на 15…20 ^оС, но затем она повышается вследствие экзотермии цемента, так как скорость реакции гидратации увеличивается в 2…4 раза на каждые 10^о повышения температуры.

Отформованные из горячей бетонной смеси изделия выдерживаются или по методу термоса или с дополнительным подводом тепла, или в среде с повышенной температурой (в камерах, в обогреваемых формах).

Термосное выдерживание (при температуре среды не менее 18 ^оС) следует использовать при изготовлении изделий с модулем поверхности Мп < 10 при формовании их из бетонной смеси с температурой разогрева до 90…95 ^оС. При этом температура бетонной смеси в процессе формования не должна снижаться более чем на 12…15 ^оС, а остывание изделий не должно происходить со скоростью снижения температуры поверхности изделий более 3^о/ч. Во время термосного выдерживания открытая поверхность изделий во избежание потерь влаги и тепла должна быть паро и тепло изолирована. В качестве такого укрытия могут быть использованы маты из минерального волокна или шлаковаты в оболочке из полиамидной плёнки или прорезиненной ткани.

Дополнительный прогрев изделий в камерах с повышенной температурой (до 90^оС) рекомендуется осуществлять:

• при изготовлении изделий с Мп > 10,

• при производстве изделий с меньшим модулем поверхности, формуемых из бетонных смесей с температурой менее 90 ^оС,

• при невозможности обеспечения термосного выдерживания

• при необходимости интенсификации производства.

К разновидностям предварительного электроразогрева бетонной смеси относится форсированный электроразогрев – кратковременный (5…20 минут) нагрев бетонной смеси до 90…95 ^оС путём пропускания через неё электрического тока, при котором разогретая бетонная смесь сохраняет ещё в течение некоторого периода времени тиксотропные свойства.

Форсированный электроразогрев бетонной смеси адаптирован к производству сборного железобетона при этом применяются три технологических приёма горячего формования:

1. приготовленная бетонная смесь разогревается в системе транспортирования или в специальных бункерах разогрева, оборудованных пластинчатыми электродами. Разогретую бетонную смесь укладывают в подготовленную, заармированную форму, уплотняют и выдерживают до заданной прочности в термосных условиях. Разогретая бетонная смесь сохраняет свою подвижность не более 20 минут, потери тепла за 20 минут составляют 12…15 ^оС.

2. электроразогрев свежеуложенного бетона с последующим доуплотнением. То есть в форму, установленную на посту разогрева, укладывается холодная бетонная смесь, после её укладки и распределения осуществляется её форсированный разогрев с использованием в качестве электродов арматуры или элементов опалубки (форм). Затем форма перемещается на виброплощадку, где производится доуплотнение после разогрева и форма с жби направляется на посты термосного или изотермического выдерживания.

3. при виброштамповании, вибропрессовании, скользящей бортоснастке в форму укладывают бетонную смесь, разогрев которой производится в процессе укладки, затем – термосное или изотермическое выдерживание.

При предварительном разогреве бетонной смеси уменьшение длительности разогрева приводит к возрастанию потребляемой мощности кВт, тогда как энергия кВт.ч практически не изменяется:

Продолжительность предварит. разогрева, мин	5	10	15	20
Потребляемая мощность для разогрева 1 м3 бетонной смеси от 10 до 70 оС, кВт/кВт.ч	625 52,1	315 52,5	215 53,75	160 53,3

Макисмальная температура при форсированнолм разогреве зависит от содердания трёхкальциевого алюмината в портландцементе:

при содержании С₃А до 6 % по массе – до 80…95 ^оС,

при содержании С₃А более 6 % по массе – до 70…80 ^оС.

Для сохранения подвижности бетонной смеси и уменьшения энергозатрат желательны низкоалюминатные высокоалитовые портландцементы и пониженные температуры разогрева. Разогретую бетонную смесь необходимо как можно быстрее укладывать в форму без задержки. Время от момента окончания разогрева до окончания уплотнения не должно превышать 15 минут.

Для замедления загустевания бетонной смеси могут вводиться добавки поверхностно-активных веществ ЛСТ, СНВ, ОДП, ГКЖ и др.

Для сокращения энергозатрат рационально последующее термосное выдерживание в камерах тво или в камерах дозревания при температуре среды 30…40 ^оС. Когда требуется сокращение продолжительности тепловой обработки разогретые изделия выдерживаются в камерах с дополнительной подачей тепловой энергии (контактный электрообогрев и др.).

Расход электроэнергии на разогрев бетонных смесей не более 45 квт.ч/м³ для бетонов на плотных заполнителях и 30…35 квт.ч/м³ – на пористых.

18 Использование инфракрасного излучения и индукционного прогрева, гелиотермообработка.

Обогрев бетона инфракрасными лучами основан на их проникающей способности. Инфракрасные луча – электромагнитные волны с длиной волны 0,72…1000 микрометров, в спектре электромагнитных колебаний расположены между радио волнами и световыми лучами. Для практических целей в качестве теплоносителя используются электромагнитные колебания с длиной волны 1,5…10 микрометров, а бетоном поглащаются инфракрасные лучи с длиной волны 3…6 микрометров. Эти лучи проникают в бетон на глубину до 200 мм и при этом разогревают железобенное изделие. Если организовать облучение изделий с двух сторон, то наибольшая толщина жби при этом способе прогрева достигает 400 мм. Арматура жбк способствует более глубокому проникновению и равномерному распределению тепла в бетоне. Температура не должна быть выше 80 ^оС если поверхность изделий открыта, и допускается до 95 ^оС для изделий с закрытой верхней поверхностью. Инфракрасный прогрев целесообразно применять для ускорения твердения омоноличенных стыков жбк в сооружениях, для обогрева арматуры в зимний период, а также для оттаивания старого бетона при его ремонте. В технологии сборного железобетона этот способ прогрева целесообразно применять для тонкостенных изделий (плит, труб, объёмных блоков и др.), расход электроэнергии зависит от температуры разогрева, от потерь тепла и находится в пределах 80…180 квт.ч/м³.

В процессе тепловой обработки при помощи нагревательных приборов осуществляется тепловое воздействие на бетон извне – периферийный прогрев. Различают тепловую обоработку бетона жби со стороны открытых поверхностей изделий инфракрасным излучением, генерируемым в электронагревательных приборах при высоких температурах источника тепла (600…1000 ^оС), и тепловую обработку электронагревательными приборами при более низких температурах.

Для инфракрасного прогрева чаще всего применяются трубчатые электронагреватели с закрытой спиралью (ТЭНы). Трубчатые генераторы инфракрасных лучей состоят из стальной, медной или латунной трубы диаметром 9…18 мм, внутри которой помещены нихромовая спираль сопроивления. Пространство между спиралью и стенками трубы заполнено порошком периклаза – кристаллического МgО. Выделяемая теплота излучается внешней поверхностью трубчатого нагревателя. Рекомендуются ТЭНы типа НВСЖ (нагреватель воздушный сушильный жаростойкий) или НВС (нагреватель воздушный сушильный) с мощностью 1 м длины генератора от 0,6 до 1,2 квт и температурой излучающих поверхностей 300…600 ^оС. Данные нагреватели изготавливаются на рабочее напряжение 127, 220 и 380 в.

Нагреватели с открытой нихромовой спиралью (светлые) имеют температуру излучаемой поверхности до 1000 ^оС, но они не обеспечивают необходимой техники безопасности, поэтому используются редко.

Используются также карборундовые излучатели (SiC, силитовые) – это стержни из карбида кремния диаметром от 6 до 50 мм, длиной 0,3…1, м. рабочие температуры их излучающей поверхности находятся в пределах 1300…1500 ^оС, мощность 1 м длины достигает 10 квт.

Инфракрасные излучатели в комплекте с отражателями и поддерживающими устройствами составляют установку для тепловой обработки изделий. Отражатели применяют сферические при необходимости передачи тепловой энергии излучением на расстояние до 3 м и трапецеидальные – до 1 м. Регулируя мощность генераторов инфракрасного излучения и температуру их излучающей поверхности, а также расстояние от излучателя до поверхности обогреваемых изделий можно изменять интенсивность нагрева изделий, температуру изотермического прогрева и скорость охлаждения.

При этом виде тепловой обработки происходит испарение воды через открытые поверхности изделия, это благоприятно для изделий из лёгкого конструкционно-теплоизоляционного бетона с нормируемой отпускной влажностью. Но для изделий из конструкционного бетона, особенно с нормируемыми показателями морозостойкости и водонепроницаемости испарение воды должно быть исключено, чаще всего это достигается применением укрытия открытой поверхности изделий металлическими листами.

Индукционный нагрев основан на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 году Фарадеем, при этом используется тепло, выделяемое стальной арматурой и опалубкой, если они находятся в переменном электромагнитном поле индуктора в результате возникновения вихревых токов и перемагничивания.

На практике это обеспечивается тем, что вокруг забетонированного армированного элемента укладываются витки изолированного провода. При пропускании переменного тока создаётся переменное магнитное поле, поэтому в арматуре и стальной опалубке возникает электромагнитная индукция и токи Фуко, под влиянием которых происходит нагрев токопроводящих деталей, от которых нагревается и бетон. При монолитном бетонировании этот способ прогрева используется для ускорения твердения бетона при изготовлении каркасных жбк (балки, колонны и др.), а также для прогрева омоноличенных стыков жбк.

В практике заводского изготовления сборных жбк применяются электромагнитные камеры, отличительной особенностью которых является то, что электромагнитная обмотка индуктор размещена внутри камеры. Вследствие этого подвергаемые тепловой обработке отформованные жбк находятся непосредственно в электромагнитном поле и нагрев бетона происходит за счёт контактной теплопередачи от нагретых стальных форм и арматуры. Бетон вызревает до 70…90 % прочности от марочной за 12…24 часа. Наиболее эффективно этот метод использовать для прогрева в металлической опалубке густоармированных конструкций с модулем поверхности не менее 5. При этом обеспечивается равномерное тепловое поле независимо от размеров сечения жбк. Этот прогрев также может использоваться для быстрого отогрева арматуры диаметром 25 и более мм при зимнем бетонировании.

Электромагнитные камеры представляют собой железобетонный или кирпичный пароходной или тупиковый тоннель, по внутреннему периметру которого на длину рабочей зоны смонтирована обмотка-индуктор (рис. 160) из алюминиевых шин или проводов. Обмотка трёхфазная от сети переменного тока напряжением 220/380 в. Поверх обмотки камера утепляется теплоизоляционными материалами, стойкими к действию повышенных температур.

Для опор линий электропередач используется такой режим тепловой обработки в электромагнитых камерах: выдержка до тепловой обработки – 2 часа, нагрев до 85-90 ^оС за 2…3,5 часа, изотермическая выдержка 3…4 часа, затем изделия на тележке выкатываются из камеры и выдерживаются до распалубки в цехе 2 часа

Рис.160 Схема электромагнитной камеры тво

1 – обмотка индуктора, 2 – металлические формы, 3 – железобетонные изделия.

Для железобетонных плит режим тепловой обработки рекомендуется: выдержка 3 часа, загрузка в камеру и нагрев до 85…90 ^оС за 3…3,5 часа, изотермическая выдержка 3…4 часа, перегрузка в остывочное отделение и выдержка до распалубки 2…3 часа.

Если в процессе тепловой обработки необходимо исключить потери влаги из бетона то изделий укрывается термостойкой плёнкой или стальным листом. Для изделий из бетонов с номируемыми требованиями по влажности после тепловой обработке укрытие не требуется.

Частным случаем электромагнитных камер являются электроиндукционные камеры со стальными стенками, которые разогреваются до 200…300 ^оС вследствие электромагнитной индукции. От стенок тепло передаётся прогреваемым железобетонным изделиям за счёт излучения и конвекции, при этом температура среды в камере может достигать 120…150 ^оС.

Гелиотермообработка – прогрев бетона жби непосредственным воздействием солнечной радиации через светопрозрачные или солнцевоспринимающие покрытия, предотвращающие обезвоживание твердеющего бетона. При этой тепловой обработке в гелеоформах или гелиокамерах коэффициент полезного использования солнечной энергии составляет 0,6…0,75.

Наиболее простой способ использования солнечной энергии для прогрева жби – применение гелиоформ, состоящих из двух основных элементов: собственно формы и крышки со светопрозрачным теплоизолирующим покрытием (покрытие СВИТАП) или в формах с применением влагонепроницаемого солнцевоспринимающего покрытия в сочетании с термосным выдерживанием (рис.161). Кроме этого, поток солнечной энергии может воздействовать на гелиотеплоприёмник, в котором циркулирует теплоноситель (вода, масло и др.), обогревающий термоформу или тепловые отсеки.

Гелиотермообработка позволяет обеспечить получение изделий высокого качества при суточном цикле оборачиваемости форм. Достоинства гелиообработки:

• экономия топливно-энергетических ресурсов,

• снижение расхода воды для технологических нужд,

• применение экологически чистого источника тепловой энергии,

• снижение себестоимости жби,

• уменьшение капитальных затрат на камеры тво, котельные, тепломагистрали и др.

Рис. 161 Схема комбинированной гелиообработки жби

1 – жби, 2 – борта формы с теплоизоляцией, 3 – покрытие теплоаккумулирующее (СВИТАП), 4 – поддон формы, 5 – электронагреватель, 6 – отражатель, 7 – рельс

Гелиотермообработка позволяет отказаться от традиционной тепловой обработки сборных жби толщиной до 400 мм из тяжёлого бетона в теплые периоды года в районах южнее 50^о северной широты (южные области РФ) с жарким климатом и большим количеством солнечных дней в году. На гелиотермообработку жби следует переходить при наступлении тёплой солнечной погоды и темпетаруре воздуха не ниже +20 ^оС в 13 часов. При использовании БТЦ, химических добавок – ускорителей твердения, предварительно разогретой бетонной смеис, активации цементного теста, раствора и бетонной смеси и осуществлении других технологических мероприятий переход на гелиотермообработку жби можно осуществлять и при более низкой температуре и солнечной погоде.

Гелиотермообработка осуществляется на полигонах сезонного действия в течение 20…22 часовс параметрами:

- подъём температуры до 50…70 ^оС – 5…7 часов,

- условная изотермическая выдержка – 5…7 часов,

- остывание в ночное время до 35…50 ^оС.

Прочность бетона на ПЦ 400 Д-20 после такой тепловой обработки ориентировочно составляет: для бетона класса В15 – 45…55 %, класса В25 – 55…65 %, класса В30 – 65…70 % от марочной прочности бетона жби.

Комбинированная гелиотермообработка жби заключается в оптимальном сочетании солнечной радиации с регулируемым подводом тепла от дополнительных источников энергии. Эта теплообработка позволяет без существенных изменений технологии обеспечить:

• круглогодичную эксплуатацию гелеополигонов,

• расширение географических зон функционирования гелеополигонов,

• двухсменный режим работы гелеополигонов,

• увеличение оборачиваемости форм,

• расширение номенклатуры жби, выпускаемых по гелеотехнологии.

5. Автоматизация процессов тво и пути снижения расхода тепловой энергии.

Для автоматического контроля основных параметров тво на заводах жби применяются различные системы с программным регулированием температурного режима по температуре теплоносителя или конденсата.

Автоматическое регулирование в ямных камерах осуществляется с использованием программных регуляторов (рис.162).

Рис.162 Принципиальная схема системы автоматики пропарочной камеры с программным регулятором температуры

1 – регулирующий клапан, 2 – программный регулятор, 3 – автоматический уравновешивающий мост, 4 – датчики температуры, 5 – регулятор давления.

Параметры регуляторов: пределы изменения температуры 0…10 ^оС, точность измерения температуры +2,5% от верхнего предела, чувствительность не менее 0,5 ^оС, максимальная продолжительность регулирования 24 часа, потребляемая мощность 30 вт. Регулятор имеет свой задатчик – копир, вырезанный в соответствии с желаемым температурным режимом. На паровой магистрали устанавливается регулирующий магнитный клапан прямого действия, который включает или отключает пароподачу в камеру. Режим изменения температуры в каждой камере записывается на диаграмме электронного моста. Для решгулирования процесса охлаждения камеры оборудуются принудительной вентиляцией. Через специальные отверстия, закрытые при нагреве и изотермической выдержке и открытые при остывании воздух прокачивается через камеру и удаляется в атмосферу. Для автоматизации процесса принудительной вентиляции ямные камеры оснащают водяными эжекторными затворами.

Автоматизация процесса тво в ямных камерах позволяет сократить длительность пропарки и примерно на 40% уменьшить расход теплоносителя.

Основой схемы автоматического контроля и регулирования температуры кассетных установок являются регуляторы температуры. Для стабилизации давления пара общий трубопровод обычно закольцовывают. При падении давления в паропроводе срабатывает специальный сигнализатор, окончание тво оповещается световой сигнализацией.

Регулирование режима тво в вертикальных камерах достигается путём изменения количества пара, подаваемого в камеру.температура измеряется автоматически и записывается в нескольких точках по высоте камеры.

Регулирование режимов тепловой обработки жби в термоформах достигается с помощью термометров сопротивления, устанавливаемых в конденсатопроводе. Для достижения заданной температуры от термометра сопротивления включается или выключается клапан подачи теплоносителя.

Тепловые процессы в автоклавах регулируются и записываются с помощью датчиков температуры и давления. После загрузки автоклава закрытия крышек срабатывают блокировочные устройства и начинается процесс запаривания. Если давление в линии перепукного пара больше, чем в автоклаве то пар поступает в автоклав. Светозвуковая технологическая и аварийная сигнализация отражает положение регулирующих и запорных органов, крышек автоклава, недопустимое отклонение регулируемого параметра от заданного значения.

Производство сборного железобетона относится к числу наиболее энергоёмких отраслей промышленности строительных материалов, причём, как правило, фактические энергозатраты в 2 и более раза превышают расчётные.

Основные причины значительного перерасхода тепловой энергии – неудовлетворительное состояние пропарочных камер, тепловых сетей, запорной арматуры и средств контроля расхода пара. Теплота теряется как в результате утечек пара, так и вследствие отсутствия изоляции горячих поверхностей, необоснованного увеличения длительности тепловой обработки и температуры пропаривания.

Наибольшая доля непроизводительных тепловых потерь в камерах циклического действия падает на остывание конструктивных элементов камер, а в щелевых камерах – на теплопередачу через ограждение из-за низкого термического сопротивления. Снижение этих потерь достигается повышением теплового сопротивления и снижение тепловой ёмкости ограждающих конструкций, пола, потолка тепловых камер с помощью теплоизоляции и применения эффективных лёгких бетонов. При использовании ограждений из керамзитобетона кпд камеры повышается до 53 %, а расход энергии уменьшается в 1,55 раза по сравнению с ограждениями из тяжёлого бетона, ограждения из тяжёлого бетона с утеплением и гидроизоляцией позволяет повысить кпд до 88 %, а расход энергии снизить в 2,6 раза.

Снижению теплопотерь способствуют также:

• Организация системы контроля и учёта расхода тепла,

• Повышение тепловой устойчивости систем теплоснабжения, усиление паронепроницаемости распределительных сетей,

• Регулирование параметров теплоносителя,

• повышение коэффициента заполнения камер.

Более экономичны по сравнению с ямными вертикальные, туннельные, щелевые и малонапорные камеры, в последних расход пара на 30…40 % ниже, чем в ямных. Большое значение имеет совершенствование системы пароподачи в камеры тво. Пониженным расходом теплоты характеризуются камеры испарительно-конденсационного типа с инжекторным способом подачи теплоносителя, насосами-кондиционерами и др.

Большое значение имеет внедрение энергосберегающих технологий производства сборных жби: применение высокопрочных цементов, ЦНВ, введение химических добавок, водоредуцирование, применение жёстких бетонных смесей и интенсивных способов уплотнения, благодаря чему появляется возможность безобогревного производства жби. применение предварительно разогретых до 65…70 оС бетонных смесей позволяет при изготовлении массивных жби сократить тепловую обработку на 2,5…3,5 часа возможное сокращение длительности тепловой обработки в камерах или кассетах за счёт последующего дозревания изделий достигает 3 и более часа. При форсированном режиме тво под пригрузом возможно достичь отпускную прочность на 3…6 часов быстрее, следовательно, сократить расход тапловой энергии, повысить оборачиваемость камер и форм.

Перспективным направлением снижения энергоёмкости сборного железобетона является применение низкотемпературных режимов тво и учёт теплоты гидратации цемента, которая за первые 3…4 часа тепловой обработки составляет около 20 % всей теплоты, расходуемой на нагрев изделий.

Литература

1. Ю.М.Баженов, Л.А.Алимов, В.В.Воронин, У.Х.Магдеев Технология бетона, строительных изделий и конструкций. Учебник для вузов.– М.:Изд. АСВ, 2004.–256 с.

2. Пособие по технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций / Г.И. Бердичевский, Б.П. Горячев, А.К. Караковский и др.–М.: НИИЖБ, 1992.–102 с.

3. Пособие по тепловой обработке сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85)/ВНИИжелезобетон. – М.:Стройиздат, 1989.–49 с.

4. Пособие по технологии формования железобетонных изделий (к СНиП 3.09.01-85)/НИИЖБ.–М.: Стройиздат, 1988.–112 с.

5. Рекомендации по вибрационному формованию железобетонных изделий/НИИЖБ Госстроя СССР.– М., 1986.– 78 с.

6. Алимов Л.А., Воронин В.В. Технология производства неметаллических строительных изделий и конструкций.– М.: ИНФРА-М, 2007.–443 с.

7. Уткин В.Л. Новые технологии строительной индустрии. – М.: ЗАО Русский издательский дом.–2004.– 116 с.

8. Производство сборных железобетонных изделий:Справочник./ Г.И.Бердичевский, А.П.Васильев, Л.А.Малинина и др. Под ред. К,В.Михайлова, К.М.Королёва, 2 изд.–М.:Стройиздат, 1989.– 447 с.

9. Производство сборных самонапряженных железобетонных конструкций и изделий :Справочное пособие к СНиП.–М.: СИ, 1990.–18 с.

10. Мадатян С.А. Арматура – тенденции и перспективы // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона.–М.: Ассоциация «Железобетон», 2001.–Книга 1.–с.138–150.

11. Стефанов Б.В., Н.Г.Русанова, А.А.Полянский Технология бетонных и железобетонных изделий. 3 изд.– Киев: Вища школа, 1982.–406 с.

12. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. Учебник для вузов.– М.:Стройиздат, 1984.–672 с.

Оглавление

Введение ………………………………………………………………….. 3