5.8.6. Электротермообработка бетона.

Общие положения. Электротермообработка является основным методом интенсификации твердения бетона при возведении монолитных конструкций зданий и сооружений в зимнее время. Не менее эффективной она оказалась и в летнее время, поскольку обеспечивает быстрое твердение бетона при незначительных затратах электроэнергии. В районах с сухим и жарким климатом применение электротермообработки позволяет, благодаря интенсификации процесса твердения, связать значительную часть воды затворения химически и физически и тем самым избежать трещинообразования в конструкциях при высыхании бетона в раннем возрасте и сократить продолжительность выдерживания в опалубке.

Выбор наиболее рационального метода электротермообработки бетона диктуется не только особенностями прогреваемой конструкции, но и возможностями самого метода, которые следует хорошо знать. Для этого край­не необходима классификация методов электротермообработки, которая поможет грамотно выбрать такой из них, который будет для конкретных условий наиболее выгоден и с технической, и с экономической точки зрения.

Существующие методы электротермообработки бетона можно разделить на три большие группы, если в основу положить принцип превращения электрической энергии в тепловую: непосредственно в бетоне, электрообогрев, индукционный прогрев.

Электротермообработка бетона объединяет группу методов, основанных на использовании тепла, получаемого от превращения электрической энергии в тепловую. Это может происходить или непосредственно в материале, когда электрический ток пропускается через бетон, или в различного рода электронагревательных устройствах, от которых тепло подводится к бетону радиационно, кондуктивно или конвективно (рис. 5.39)

Разнообразие методов электротермообработки позволяет в каждом конкретном случае (в зависимости от вида конструкции, ее размеров, конфигурации, характера армирования и т.д.) выбирать наиболее эффективный из них.

Электродный прогрев бетона осуществляется непосредственно в конструкции или до его укладки в опалубку (предварительный электроразогрев) и относится к наиболее эффективным и экономичным видам электротермообработки.

При этом методе представляется возможным поднимать температуру материала до требуемого уровня за любой промежуток времени - от нескольких минут до нескольких часов.

Электрообогрев с помощью электронагревательных устройств осуществляется путем подачи тепла к поверхности бетона от источников превращения электрической энергии в тепловую - нагревателей инфракрасного излучения или низкотемпературных нагревателей (сетчатых, коаксиальных, ТЭНов и др.). Во внутренние слои конструкции тепло передаётся путем теплопроводности.

Прогрев бетона в электромагнитном поле осуществляется путем передачи тепла от разогревающихся вихревыми токами стальных элементов опалубки, арматуры и закладных частей. Непосредственного воздействия на бетон электромагнитное поле с применяющимися на практике параметрами не оказывает и во внутренние слои материала тепло передается путем теплопроводности.

Основные методы электротермообработки бетона и области их применения приведены в табл. 5.3. Интенсификация твердения бетона при применении методов электротермообработки является следствием активизации химических и физико-химических процессов при повышении температуры.

В этом случае образующиеся при твердении бетона фазовый состав новообразований и структура при обеспечении соответствующих температурно-влажностных условий идентичны таковым у твердеющих в нормальных условиях бетонов.

Электротермообработка обеспечивает получение бетонов с заданными физико-механическими свойствами (прочностью на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкостью, сцеплением с арматурой и др.), существенно не отличающимися от свойств бетона, твердеющего в нормальных условиях.

Таблица 5.3

Методы электротермообработки бетона и рациональные области их применения.

Метод Электротермо- обработки бетона	Краткая характеристика и рациональная область применения	Ориентир овочный расход электроэнергии на 1м3 бетона, кВТч	Примечание
1.Электродный прогрев а) сквозной б) периферийный в) с использованием в качестве электродов арматуры 2. Нагрев бетона в электромагнит ном поле ( индукцион ный) 3. Электрообогрев а) с помощью высокотемпературных нагревателей инфракрасного излучения б) с помощью низкотемпературных электронагре-вателей 4 Электроразо- грев а) предваритель-ный электроразогрев бетонной смеси б) разогрев бетона в форме с повторным уплотнением.	Прогрев монолитных бетонных и мало армированных железобетонных конструкций путем пропускания тока через всю толщу бетона. Применение наиболее эффективно для ленточных фундаментов, а также колонн, стен, перегородок, других конструкций толщиной до 50см, стен подвалов. Прогрев периферийных зон бетона массивных и средней массивности бетонных и железобетонных монолитных конструкций. Применяется в качестве одностороннего прогрева конструкций, имеющих толщину не более 20см, и двухстороннего прогрева при толщине конструкций более 20см. К таким конструкциям относятся: ленточные фундаменты, бетонные подготовки и полы, плоские перекрытия и доборные элементы, стены и перегородки и т.д. Прогрев монолитных конструкций, армированных отдельными, не связанными между собой стержнями, плоскими каркасами и пр. Нагрев железобетонных конструкций линейного типа с равномерно распределенной по сечению арматурой путем устройства индуктора вокруг элемента. Применяется при прогреве монолитных конструкций, таких, как: колонны, ригели, балки, прогоны, элементы рамных конструкций, стволы труб и силосов, коллекторы и опускные колодцы, сваи и перемычки, а также при замоноличивании стыков каркасных конструкций. Обогрев бетона осуществляется по периферийным зонам конструкции путем подачи тепла непосредственно на бетон или опалубку. Применяется при возведении монолитных конструкций различной конфигурации и армированных по любой схеме, а также при сушке изделий из теплоизоляционного бетона и штукатурки. Обогрев монолитных конструкций с помощью вмонтированных жестких электронагревателей в опалубку или гибких – в греющие маты и одеяла. Применяются практически для всех видов конструкций. Бетонная смесь быстро разогревается вне опалубки, укладывается и уплотняется в горячем состоянии. Применяется при возведении монолитных и железобетонных конструкций. Бетонная смесь в холодном состоянии укладывается и уплотняется в опалубке, а затем быстро разогревается и повторно уплотняется. Применяется при возведении монолитных бетонных и малоармированных железобетонных конструкций.	80-120 80 - 120 80 – 120 120 – 150 120 – 200 100 – 160 50 – 90 50 – 70	Режимы прогрева- мягкие. Скорость подъема температуры не должна превышать 15 С/ч. В качестве электродов используются стержни и струны диаметром не менее 6мм, пластины, или полосы шириной не менее 15мм, выполненные из листовой стали и нашиваемые на внутреннюю поверхность опалубки. При прогреве массивных конструкций необходимо поддерживать температуру в периферийных слоях на 5-10 С ниже или на уровне температуры в ядре. Режимы прогрева – мягкие. Скорость подъема температуры - не выше 15 С/ч. В качестве электродов применяются стержни, полосы, ленты из сплошного или напыленного металла, закрепленные (напыленные) на опалубку или на специальные щиты, устанавливаемые на не опалубленную поверхность конструкций (при прогреве бетона в конструкциях с большой открытой поверхностью). Режимы прогрева - мягкие. Скорость подъема температуры- не выше 10 С/ч. Режимы прогрева – мягкие. Скорость подъема температуры – не выше 20 С/ч. Нагрев бетона происходит от нагреваемой в электромагнитном поле арматуры или обогрев бетона от металлической опалубки. Нагревание бетона через арматуру или обогрев его опалубкой производить по мягким режимам. Температура на контакте арматуры или формы – с бетоном не должна превышать 80 С. Обогрев осуществляется с обязательной защитой не опалубленных поверхностей от потерь влаги. Температура на обогреваемой поверхности не должна превышать 80 - 90 С. В качестве нагревателей используются лампы, трубчатые, спиральные, проволочные и другие нагреватели – с температурой на поверхности нагревателя выше 300 С. Обогрев осуществляется по мягким режимам. Опалубка или маты с вмонтированными электронагревателями должны иметь теплоизоляцию с наружной стороны для предупреждения больших тепло потерь в окружающую среду. В качестве нагревателей используются: а) трубчатые ТЭНы, трубчатостержневые, уголкостержневые, коаксиальные и др.; б) плоские – сетчатые, пластинчатые и др.; в) струнные – стальная или нихромовая проволока и др. Эти нагреватели имеют температуру на поверхности ниже 300 С. Для конструкций с Мn = 6 требуемая прочность достигается путем термосного выдерживания Для конструкций с Мn 6… необходим дополнительный прогрев или обогрев бетона (что увеличивает расход электроэнергии). То же.

Электродный прогрев, или просто электропрогрев, при котором электрическая энергия превращается в тепловую непосредственно в самом бетоне, включаемом в электрическую цепь в качестве сопротивления, является одним из самых эффективных и экономичных методов тепловой обработки. Он имеет три четко выраженные технологические разновидности: электропрогрев бетона в конструкции по мягким режимам; предварительный, перед укладкой, электроразогрев бетонной смеси (вне опалубки); форсированный электроразогрев бетона в опалубке с последующим уплотнением в горячем состоянии.

Каждая из указанных разновидностей имеет свои модификации, отличающиеся техническими особенностями, иногда видом электродов, с помощью которых электрический ток подводится к бетону.

При электропрогреве бетона в конструкции, обычно осуществляемом по мягким режимам, требуется несколько часов для подъема температуры до установленного уровня. Длительность разогрева увеличивает время термообработки, что влечет за собой повышение расхода электроэнергии. Кроме того, такой способ электротермообработки неудобен при возведении густоармированных конструкций, в которых арматура оказывает большое искажающее влияние на электрическое и, соответственно, температурное поле, нарушая равномерность прогрева. Некоторые разновидности электропрогрева, при которых электроды устанавливаются непосредственно в тело конструкции, требуют существенных расходов металла на электроды, поскольку последние извлечь из бетона не всегда представляется возможным. При применении нашивных на опалубку электродов они в бетоне не остаются. Однако оборачиваемость их крайне низкая, практически они могут быть использованы один раз.

Таким образом, электропрогрев бетона в конструкции не относится к универсальным методам электротермообработки. Однако он имеет свои наиболее рациональные области применения. Его целесообразно использовать для прогрева бетона в неармированных, слабо армированных конструкциях и в конструкциях, где арматуры может быть много, но она устанавливается в виде не связанных друг с другом параллельных сеток или плоских каркасов, расположенных перпендикулярно направлению движения тока. Иногда электропрогрев применяют и для прогрева бетона в конструкциях с довольно значительным содержанием арматуры, но в этих случаях защитный слой должен иметь толщину более 20мм и подъем температуры следует осуществлять со скоростью не более 3-5° в час.

Многих недостатков, присущих электропрогреву бетона в конструкциях по мягким режимам, лишены форсированные методы электроразогрева. Одним из таких методов является предварительный электроразогрев бетонной смеси до укладки в конструкцию. Смесь разогревается в течение нескольких минут, укладывается в конструкцию, уплотняется и укрывается. Предварительный электроразогрев - один из самых эффективных способов ускорения твердения бетона. Он хорош тем, что его можно использовать для бетонирования любых видов конструкций независимо от количества арматуры и характера ее расположения. Расход электроэнергии при этом методе, как впрочем и при других методах форсированного электроразогрева бетона, невысок и с этих позиций он является одним из наиболее экономичных.

Однако предварительный электроразогрев имеет и ряд недостатков: ограничение сферы применения - только для массивных или средней массивности конструкций; непроизводительные потери тепла разогретой сме­сью при укладке, которые в зависимости от температуры среды и массивности конструкции могут быть весьма значительными. Неудобством является также необходимость быстрой укладки бетонной смеси после разогрева в конструкцию и ее уплотнения во избежание потерь ею пластических свойств. Если учесть, что время между окончанием разогрева смеси и ее укладкой не должно быть более 10 - 15 мин, то производство работ должно быть организовано очень четко и оперативно.

Форсированный электроразогрев бетона в форме с последующим уплотнением выгодно отличается от предварительного электроразогрева, так как исключаются потери тепла при перегрузках и укладке смеси, а также отпадает необходимость в быстрой укладке смеси в опалубку. Этот метод термообработки бетона относится к наиболее эффективным по скорости твердения бетона и экономичным по расходу электроэнергии, поскольку разо­грев можно осуществлять практически до любой (до 100° С) температуры, что значительно интенсифицирует процессы взаимодействия воды с цементом.

Однако электроразогрев бетонной смеси в опалубке с повторным уплотнением имеет и свои недостатки - невозможность использования в армированных пространственными каркасами конструкциях и сложность прогрева бетона этим методом в массивных конструкциях.

Электрообогрев бетона наряду с электродным прогревом широко применяется в строительстве при возведении монолитных железобетонных конструкций в зимних условиях. Серьезным преимуществом этого метода является возможность его использования для прогрева бетона независимо от насыщенности конструкций арматурой и расположения последней. Вместе с тем по расходу электроэнергии он уступает электродному прогреву, поскольку электронагреватели отдают бетону только часть выделившегося в них тепла. Остальная, большая часть этого тепла, расходуется на потери в окружающую среду, на нагрев теплоизоляции, элементов опалубки и т. п.

Плотность излучения нагревателей резко возрастает при температурах более 250°С, поэтому условно можно считать, что нагреватели с температурой на излучающей поверхности более 250°С относятся к высокотемпературным, или просто нагревателям инфракрасного излучения, а с более низкой температурой - к низкотемпературным электронагревателям.

К нагревателям инфракрасного излучения относятся селитовые излучатели с температурой нагрева до 2000°С, параболоидные ламповые термоизлучатели с температурой нагрева до 3500°С, темные трубчатые излу­чатели с температурой нагрева до 700°С (спирали, ТЭНы, коаксиальные нагреватели). Инфракрасные лучи обладают низкой проникающей способностью по отношению к бетону (менее 1мм) и поэтому кроме теплового воздействия другого влияния не оказывают.

К низкотемпературным нагревателям относятся гибкие сетчатые, пластинчатые, греющие шнуры, трубчато- и уголковостержневые; иногда используют ТЭНы и коаксиальные нагреватели с невысокой температурой нагрева.

При электрообогреве, как правило, тепло поступает к поверхности бетона от электронагревателей, располагаемых вне конструкции. В глубинные слои материала оно передается кондуктивно, что является причиной появления температурных перепадов. При температуре бетона на греющей поверхности конструкции 80°С толщина его слоя с относительно равномерной температурой при установившемся режиме прогрева (период изотермического выдерживания) обычно составляет не более 20см. При одностороннем электрообогреве конструкции в зимнее время толщина этого слоя снижается до 15 и даже до 10см при низких температурах наружного воздуха. По этой причине конструкции толщиной более 20см обычно подвергаются двухстороннему электрообогреву.

Существуют разновидности электрообогрева, при которых электронагреватели устанавливаются непосредственно в бетон и отдают все выделяемое тепло материалу. Такой способ обогрева по расходу электроэнергии весьма экономичен, но сами нагреватели навсегда остаются в бетоне, что удорожает стоимость термообработки. Однако при использовании недорогих электронагревателей помещаемых в бетон (например, специальный стальной греющей провод), метод может быть экономически оправдан.

Специфика подачи тепла бетону при электрообогреве требует мягких режимов термообработки, обязательного предохранения неопалубленной поверхности от лишних влагопотерь, особенно при применении высокотемпе­ратурных электронагревателей.

Электрообогрев удобен для ускорения твердения бетона в конструкциях небольшой толщины с любым армированием. Может он применяться и для периферийного обогрева конструкций с невысоким модулем поверхности при оптимальном режиме прогрева, обеспечивающем благоприятное термонапряженное состояние конструкций и исключающем тем самым появление в них трещин.

Индукционный прогрев пока еще не нашел такого широкого, применения, как предыдущие методы электротермообработки, из-за низкого к. п. д. установок, сложности расчета и относительно трудоемких работ по мон­тажу и демонтажу индуктора (в условиях строительной площадки). Вместе с тем он уже вышел из стадии экспериментирования и в настоящее время накоплен некоторый опыт его производственного использования на стройках и заводах. При этом методе нагрев бетона осуществляется от разогревающихся в электромагнитном поле стальных элементов опалубки, арматуры, закладных частей. От них тепло кондуктивно передается бетону. Непосредственного заметного влияния электромагнитное поле при применяемых напряженностях на нагрев бетона не оказывает и получить относительно однородное температурное поле в конструкции можно только при равномерном распределении арматуры по сечению и небольших расстояниях между стержнями (при условии исключения экранирующего действия опалубки).

Индукционный прогрев удобен также для термообработки бетона в конструкциях с жесткой арматурой, в густоармированных стыках, железобетонных трубах и др. При заделке в зимнее время насыщенных армату­рой и закладными частями стыков сборных железобетонных изделий индуктор включается до укладки бетона, обеспечивая нагрев ферроэлементов, и бетон можно укладывать, не опасаясь его подмерзания на контакте с металлом. Режимы прогрева бетона индукционным методом должны быть мягкими с максимальной температурой на нагреваемых стальных элементах около 80°С.

Даже краткий анализ основных групп методов электротермообработки показывает их большие возможности в технологии бетона. В то же время он позволяет выделить среди них форсированный электроразогрев, имеющий ряд преимуществ и по срокам термообработки и по экономичности с точки зрения энергетических затрат.