2.2. Расчет требуемой мощности

Для осуществления принятого режима тепловой обработки бетона необходимо затратить определенное количество тепла в единицу времени или при электротермообработке бетона – определенную электрическую мощность. Требуемая электрическая мощность устанавливается теплотехническим расчетом отдельно для периодов подъема температуры Р_п и изотермического выдерживания Р_и.

Порядок расчета требуемой мощность одинаков для всех прогревных методов и ведется в следующей последовательности.

1. Определяется удельная электрическая мощность, необходимая для нагрева бетона Р_б на стадии подъема температуры:

, кВт/м³ (2.6)

где С_б –удельная теплоемкость бетона, равная 1,05 кДж/кг·°С; γ_б – плотность бетона, 2400 кг/м³; U – скорость подъема температуры, °С /ч.

2. Определяется удельная электрическая мощность, необходимая для нагрева опалубки Р_оп:

, кВт/м³ (2.7)

где С_i, γ_i, δ_i – соответственно удельная теплоемкость (кДж/кг·°C), плотность (кг/м³) и толщина (м) i - го слоя опалубки (приложение 4); U– скорость подъема температуры, °С /ч.

3. Определяется удельная электрическая мощность, требуемая для нагрева арматуры Р_а:

, (кВт/м³) (2.8)

где С_а – удельная теплоемкость стали (приложение 4 ), кДж/кг·ºC; р – удельный расход арматуры на кубометр бетона, кг/м³ (при отсутствии данных об армировании конструкций величина р условно принимается равным 200 кг/м³); U– скорость подъема температуры, °С /ч.

4. Находится удельная электрическая мощность, необходимая для компенсации потерь тепла в окружающую среду Р_потерь:

, кВт/м³ (2.9)

где К – коэффициент теплопередачи опалубки, Вт/м²·°С; t_и – температура изотермического выдерживания, °С; t_н.в – температура наружного воздуха, °С.

5. Определяется удельная электрическая мощность Р_п, требуемая на стадии подъема температуры для нагрева бетона с заданной скоростью:

Р_п = Р_б + Р_оп + Р_а + Р _потерь – Р_э , кВт/м³ (2.10)

где Р_э – удельная электрическая мощность, соответствующая интенсивности тепловыделения цемента, приближенно принимается равной 0,8 кВт/м³.

6. Удельная электрическая мощность, требуемая для тепловой защиты конструкции в период изотермического выдерживания Р_и, рассчитывается по формуле:

Р_и = 1,16·10^-3 ·К·М_п· (t_и.-t_н.в) , (кВт/м³) (2.11)

где К – коэффициент теплопередачи опалубки, Вт/м²·°С; t_и – температура изотермического выдерживания, °С; t_н.в – температура наружного воздуха, °С.

2.3. Электродный прогрев бетона

Электродный прогрев предложен в 1931 году шведскими инженерами А. Брундом и Х. Болином.

Электродный прогрев – наиболее эффективный и распространенный метод тепловой обработки бетона. Он основан на использовании тепла, выделяющегося в бетоне при прохождении по нему электрического тока. Достигается это путем включения свежеуложенного бетона как активного сопротивления в цепь переменного тока промышленной частоты с помощью стальных электродов различных типов и схем расположения.

Преимуществом электродного прогрева по сравнению с другими способами термообработки является выделение тепла непосредственно в бетоне, что обусловливает формирование в бетоне более равномерного температурного поля и более высокий коэффициент использования электроэнергии.

Область применения: электродный прогрев применяется при любой температуре наружного воздуха для конструкций любого типа и конфигурации. Вместе с тем, этот метод затруднен в применении для густоармированных конструкций и стыков вследствие повышенной вероятности короткого замыкания и неравномерности температурных полей.

Электрические и энергетические параметры электродного прогрева существенно зависят от удельного электрического сопротивления бетона ρ, которое является его физическим свойством и определяется главным образом составом и концентрацией ионов в жидкой фазе бетона. Можно выделить следующие факторы, влияющие на величину удельного электрического сопротивления бетона:

1. Величина ρ в основном определяется содержанием в цементе водорастворимых щелочных окислов К₂О и Na₂О, которые начинают растворяться в жидкой фазе сразу после затворения бетона водой. Удельное электрическое сопротивление бетона, приготовленного на цементах разных заводов (с различным содержанием К₂О и Na₂О) при прочих равных условиях может отличаться в 8 раз (приложение 8).

2. Увеличение или уменьшение количества воды затворения вызывает соответственно существенное снижение или повышение удельного электрического сопротивления бетона. Например, с увеличением начального водосодержания с 135 до 225 л/м³ ρ снижается в 2,4-2,6 раза.

3. Изменение расхода цемента оказывает незначительное влияние на величину ρ. Так, увеличение расхода цемента с 220 до 485 кг/м³ снижает ρ в 1,25 – 1,45 раза.

4. Введение в бетонную смесь добавок-ускорителей твердения или противоморозных существенно (до 5 раз) снижает величину удельного электрического сопротивления: снижение ρ тем значительнее, чем больше количество введенной в бетон добавки.

5. Пластифицирующие добавки и добавки замедлители схватывания практически не влияют на удельное электрическое сопротивление бетона.

6. Замерзший бетон электрический ток не проводит и не может быть подвергнут электропрогреву.

7. При твердении бетона вследствие протекания химических, физико-химических и физических процессов изменяется его удельное электрическое сопротивление.

С

ρ_нач ρ_{нач ач}

начала ρ снижается, затем начинает возрастать вследствие химического и физического связывания воды. Рост ρ начинается через 2-5 часов после затворения цемента водой, то есть после окончания схватывания цементного теста в бетоне.

ρ_нач

ρ_min

τ, час

2-5 час

Рис. 2.2. Характер изменения удельного электрического сопротивления

бетона в процессе твердения

Величина ρ_нач бетонов, приготовленных на цементах различных заводов, находится в пределах 4-25 Ом·м, а ρ_min – в пределах 2-20 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление бетона ориентировочно может быть определено по приложению 8 или измерено экспериментальным путем по следующей методике:

Б етонная смесь заданного состава помещается в форму размером 0,2×0,2×0,2 м, выполненную из диэлектрического материала (фанера, доска). На двух противоположных бортах формы размещены плоские электроды размером 0,2×0,2 м. Бетон прогревается по заданному режиму с периодическим снятием вольт-амперной характеристики.

I = U/R → R = U/I

R = ρ ·l/s → ρ = R· s/l

ρ = U ·s /I· l

при s = 0,2×0,2 м² и l = 0,2 м

ρ = 0,2 ·U/I , Ом·м

(2.12)

Рис. 2.3. Схема измерения удельного электрического сопротивления бетона

1 – форма; 2 – электроды; 3 – лабораторный автотрансформатор.

Для подведения электрической энергии к бетону используют различные типы электродов: пластинчатые, полосовые, стержневые, струнные и плавающие.

Электроды и их размещение в бетоне должны удовлетворять следующим требованиям:

• мощность электрического тока, проходящего через бетон, должна соответствовать мощности, требуемой по тепловому расчету;

• электрическое и, следовательно, температурные поля должны быть по возможности равномерными;

• электроды по возможности следует располагать снаружи прогреваемой конструкции для обеспечения их оборачиваемости;

• установку электродов и подсоединение к ним токопроводящих проводов по возможности следует производить до начала бетонирования (при использовании наружных электродов).

Электропрогрев бетона может быть сквозным, когда электрический ток проходит через все сечение конструкции и тепло выделяется по всему объему, или периферийным. В последнем случае электрический ток проходит через периферийные слои бетона, нагревая их, а остальная часть бетона нагревается за счет теплопередачи от периферийных слоев. При прочих равных условиях сквозной прогрев обеспечивает более равномерное температурное поле в конструкции.

Пластинчатые электроды являются много оборачиваемыми, крепятся к фанерной или дощатой опалубке до ее установки, выполняются из листовой стали толщиной 1-2 мм, используются для сквозного электродного прогрева неармированных или слабо армированных конструкций. Располагаемые на двух противоположных плоскостях конструкций пластинчатые электроды подключаются к разным фазам.

Рис. 2.4. Схема прогрева бетона пластинчатыми электродами

С целью равномерного распределения подведенного тока по поверхности электрода к одной из его сторон приваривается уголок с болтом для крепления подводящего провода.

При величине рабочего напряжение до 121В в зависимости от параметров режима тепловой обработки (преимущественно от скорости подъема температуры) и удельного электрического сопротивления бетона расстояние между электродами составляет 0,1-0,9 м.

Электрическая мощность при прохождении тока между пластинчатыми электродами через бетон определяется по формуле:

, кВт/м³ (2.13)

Пластинчатые электроды используются при электропрогреве неармированного бетона. В железобетонных конструкциях пластинчатые электроды могут использоваться только при возможности исключения короткого замыкания и наличии арматуры, не искажающей электрического поля между электрода- ми.

Полосовые электроды являются много оборачиваемыми, с шагом 100-600 мм крепятся (как правило, вертикально) к фанерной или дощатой опалубке до ее установки, выполняются из полосовой стали толщиной 1-2 мм и шириной 20-50 мм, используются для сквозного или периферийного прогрева.

Периферийный прогрев реализуется при присоединении соседних электродов к разноименным фазам. При этом нагреваются периферийные слои бетона на глубину, равную половине расстояния между электродами. Конструкции толщиной до 0,30 м допускается прогревать при одностороннем расположении электродов.

Периферийный прогрев может быть использован для тепловой защиты массивных конструкций (электроды устанавливаются по периметру конструкции).