5.8.7. Электропрогрев бетона.

Электропрогревом называется способ ускорения твердения бетона, заключающийся в нагревании его электрическим током промышленной частоты, пропускаемым непосредственно через бетон. В этом случае прогреваемая конструкция включается в электрическую цепь как сопротивление и преобразование электрической энергии в тепловую происходит внутри бетона, в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Q = PT

где Q - выделяемая тепловая энергия;

Р - подводимая электрическая мощность;

Т - продолжительность подведения электрической мощности.

Электродный прогрев (электропрогрев) бетона является одним из основных способов возведения бетонных и железобетонных монолитных конструкций при строительстве в зимних условиях. Этот способ предохраняет конструкции от преждевременного замораживания и обеспечивает получение требуемой прочности бетона в короткие сроки.

Электропрогрев применяется для ускорения твердения бетона в конструкциях с модулем поверхности выше 5м^-1, а также в более массивных конструкциях взамен метода "термоса" в тех случаях, когда нет гарантии обеспечения требуемой теплозащиты или, когда необходимо получить заданные прочности в короткие сроки.

Кратковременный электропрогрев, бетона целесообразно применять также в осенний и весенний периоды, когда понижение температуры наружного воздуха (особенно в ночные часы) может значительно отодвинуть сроки распалубливания или загружения конструкции.

Электропрогрев бетона, вследствие выделения тепла непосредственно в теле бетона, позволяет затрачивать наименьшее количество электроэнергии по сравнению с другими способами электротермообработки бетона.

При электропрогреве бетона целесообразно использование максимально допустимых температур прогрева, что обеспечивает оптимальную длительность выдерживания конструкции.

Однако, наряду с преимуществами, электропрогрев бетона имеет и определенные недостатки:

• во избежание существенного расширения бетона разогрев необходимо вести медленно, что увеличивает продолжительность периода прогрева;

• нецелесообразно использовать его для термообработки конструкций с высоким процентом армирования и конструкций, армированных пространственными каркасами, т.к. в этом случае имеет место большая неравномерность температурного поля (перегрев бетона в зоне между арматурой и электродами и недогрев в межарматурной зоне).

Электродный прогрев бетона подразделяется на сквозной и периферийный. При сквозном электропрогреве электрический ток проходит через весь объём бетона, при периферийном электропрогреве электрический ток проходит только через приповерхностный слой бетона.

Основным свойством, обусловливающим прохождение электрического тока, является электропроводность бетона или обратная характеристика - удельное электрическое сопротивление, которое в зависимости от различных факторов колеблется в пределах от 5 до 20 Ом·м. Поэтому, для обеспечения прогрева расстояние между электродами определяется в соответствии с типом электродов и на основе электрофизических свойств бетона при условии напряжения в сети не более 120 В, но в любом случае не должно превышать 50см.

При периферийном электропрогреве активному прогреву подвергается приповерхностный слой бетона толщиной до 20см. Разогрев остального объема бетона конструкции или элемента осуществляется путем теплопроводности.

Электроды. Напряжение к бетону подводится с помощью электродов, тип и размещение которых должны обеспечивать:

а) соответствие мощности, выделяемой в бетоне при электропрогреве, мощности, требуемой по тепловому расчету;

б) равномерность электрического и, следовательно, температурного полей;

в) минимальный расход металла. Для чего электроды следует располагать, по возможности, снаружи прогреваемой конструкции;

г) возможность установки электродов и присоединения к ним проводов до начала бетонирования, что упрощает и ускоряет производство работ.

В качестве электродов используют (табл.5.4):

- пластины, располагаемые на двух противоположных плоскостях конструкции и подключаемые к разным фазам;

- полосы, представляющие собой разновидность пластинчатых и используемые с целью экономии металла. В качестве полосовых электродов применяют стальные полосы шириной 20-50мм и δ=2-3мм и используют только как наружные;

- стержни Ø 6-12мм, которые погружают в бетон после укладки смеси и уплотнения. Стержневые электроды являются внутренними и остаются в бетоне по окончании прогрева;

- струны - стальные прутки, устанавливаемые в бетоне вдоль оси конструкции;

- в качестве разновидностей стержневых электродов применяют плоские электродные группы из стержней.

Пластинчатые электроды обеспечивают наиболее равномерное температурное поле в бетоне. Они применяются только как наружные. Пластинчатые электроды используют для прогрева конструкций толщиной до 50 см. При большей толщине конструкции (расстоянии между электродами) невозможно обеспечить соблюдений заданного режима прогрева при используемых для электропрогрева напряжениях.

Полосовые электроды, применяемые вместо пластинчатых, размещают с двух сторон конструкции и подключают к разным фазам. Применение полосовых электродов позволяет уменьшить потребляемую электрическую мощность без изменения величины напряжения. Как правило, полосовые электроды крепятся к опалубке.

Однако использование пластинчатых и полосовых электродов возможно только при толщине конструкции, определяющей расстояние между электродами и длину пути электрического тока, не более 50см. Более того, сквозной прогрев бетона с использованием пластинчатых и полосовых электродов можно осуществлять только при армировании конструкций отдельными стержнями, сетками или плоскими каркасами, расположенными параллельно электродам.

Таблица 5.4

Классификация электродов

Наименование	Описание	Время установки и подсоединения	Материал, характерные размеры, мм
Пластинчатые	Сплошные пластины, целиком закрывающие противоположные плоскости по меньшей стороне (толщине) конструкции.	До бетонирования	Кровельная сталь либо «высечка» при обшивке деревянной опалубки; листовая сталь или прокатные профили при использовании в качестве электродов, поддона или бортов металлической опалубки. Размеры соответствуют размерам конструкции.
Полосовые	Полосы, закреплённые на некотором расстоянии одна от другой на элементах опалубки или накладных щитах.	Закреплённые на опалубке - до бетонирования; закреплённые на накладных щитах - после бетонирования.	Кровельная сталь (полосовые электроды), листовая сталь. Ширина электродов 20-50мм.
Стержневые	Стержни, устанавливаемые (забиваемые) в бетон.	После бетонирования	Круглая сталь диаметром 6-8мм
Струнные	Струны, закреплённые вдоль оси длинномерных конструкции	Установка до бетонирования; подсоединение после бетонирования	Круглая сталь диаметром 6-12мм

В случае невозможности или нецелесообразности использования пластинчатых и полосовых электродов из-за сложной конфигурации конструкций, высокой степени армирования или большой толщины конструкции следует применять электроды, представляющие собой стальные прутки диаметром 6-12мм, которые погружают в бетон после его укладки. Стержневые электроды остаются в бетоне до окончания прогрева, что вызывает дополнительный расход металла. Их подключение к сети осуществляется после установки в забетонированную конструкцию, что усложняет производство работ по электропрогреву, увеличивает их трудоемкость и удлиняет время от начала бетонирования до начала прогрева.

В практике электропрогрева электроды из металлических прутков Ø 6мм применяют в качестве наружных (нашиваемые на опалубку). Правда, применение их в таких случаях менее целесообразно, чем полосовых, которые обеспечивают получение более равномерного температурного поля, меньший перегрев приэлектродных слоев бетона.

Наиболее целесообразно применять стержневые электроды не отдельно, а в виде плоских электродных групп, которые могут обеспечить более высокую степень равномерности температурного поля в бетоне. Все стержни одной группы подключают к одной фазе сети, а соседние группы к разным фазам.

В некоторых случаях, например, при электропрогреве конструкций с густой арматурой, применяют одиночные стержневые электроды, расположенные в шахматном порядке.

Для прогрева конструкций, длина которых во много раз больше размеров их поперечного сечения (колонны, балки, прогоны и т.д.), применяют струнные электроды - стальные прутки длиной ~ 3,5м, устанавливаемые в бетоне вдоль оси конструкции. Струнные электроды являются разновидностью стержневых. Как правило, подключение струнных электродов к сети осуществляется по окончании бетонирования (опалубка обита железом или металлическая форма).

Параметры электропрогрева. При проектировании и осуществлении электропрогрева назначают технологические и рассчитывают электрические параметры.

К технологическим параметрам относятся: скорость разогрева, температура изотермического прогрева, продолжительность прогрева, прочность бетона к окончанию тепловой обработки, скорость остывания.

К электрическим параметрам относятся: напряжение в сети, сила тока, выделяемая электрическая мощность.

Технологические параметры. Скорость разогрева должна приниматься с таким расчётом, чтобы исключить расширение бетона, обусловливающее нарушение его структуры и ухудшение свойств.

Так, при разогреве находящиеся в бетоне вода и паровоздушная смесь стремятся увеличиться в объеме в соответствии с коэффициентами температурного расширения. Однако твердый каркас препятствует свободному расширению воды и паровоздушной смеси, вследствие чего в бетоне образуется повышенное давление, под действием которого неокрепшая еще структура бетона разрыхляется, он затвердевает в таком расширившемся состоянии, в результате чего снижается его прочность, увеличивается пористость и проницаемость, уменьшаются морозостойкость и долговечность.

Действующий СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» устанавливает скорость подъёма температуры:

• для конструкций с модулем поверхности до 4м ^-1-не более 5° С в час;

• для конструкций с модулем поверхности от 5 до 10м ^-1-не более 10° С в час;

- для конструкций с модулем поверхности более 10м ^-1 -не более 15° С в час;

- для стыков - не более 20°С в час.

Однако для конструкций, развитых в вертикальном направлении, при определённых условиях устанавливаемых в технологической карте, скорость разогрева бетона может достигать 40...50° С в час.

Температура изотермического прогрева не должна превышать для бетонов: на портландцемент -80° С, на шлакопортландцемент - 90° С.

Во многих случаях прогрев бетона на портландцементе (особенно высокоалюминатном) при температурах выше 50°С вызывает снижение прочности по сравнению с прочностью бетона, твердеющего в нормальных температурных условиях.

Электрические параметры. При электродном прогреве количество тепла, выделяемое в бетоне в результате прохождения электрического тока, определяется по формуле:

Q=3,6 · J² · R · T=3,6 · U · J · T=3,6 · P · T,

где Q - количество выделяемого тепла, кДж;

J - сила тока, А;

U - напряжение, В;

R - электрическое сопротивление, Ом;

Т - продолжительность прохождения электрического тока, час;

Р - выделяемая электрическая мощность, Вт.

Тепло, выделяющееся в результате преобразования электрической энергии, расходуется на прогрев до заданной температуры бетона и размещаемой в нём арматуры, частично на нагрев опалубки, возмещение теплопотерь в окружающую среду. Электрическая мощность, требуемая при электропрогреве, зависит от скорости и температуры разогрева бетона, начальной температуры бетона, модуля поверхности конструкции, температуры окружающей среды, теплосопротивления опалубки, продолжительности активного прогрева.

При проектировании электрических параметров электропрогрева целесообразно определять требуемую удельную электрическую мощность, т.е. мощность, приходящуюся на 1м³ бетона.

Удельная электрическая мощность, требуемая на отдельных этапах электропрогрева, определяется по следующим формулам:

на период подъёма температуры:

Р₁ + Р₂ + Р₃ = + + , кВт/м³

на период изотермического прогрева:

Р₄ = - 0,8, кВт/м³ , где:

Р₁ - электрическая мощность, необходимая для разогрева бетона, кВт/м³;

Р₂ - электрическая мощность, необходимая для разогрева опалубочной системы,

кВт/м³;

Р₃ - электрическая мощность, необходимая для восполнения теплопотерь

в окружающую среду в процессе разогрева, кВт/м³;

Р₄ - электрическая мощность, необходимая для восполнения теплопотерь в окружающую

среду в процессе изотермического электропрогрева, кВт/м³;

0,8 - электрическая мощность, эквивалентная теплу, выделяемая за время прогрева

вследствие экзотермии цемента, кВт/м³;

Сб - удельная теплоёмкость бетона, кДж/(кг · град) (для обычных бетонов

Сб=1,04кДж/(кг · град));

γб - объёмная масса бетона, кг/м³;

р - скорость подъёма температуры бетона, град / ч;

Соп - теплоёмкость материала опалубки, утеплителя и др. частей опалубочной

системы, кДж / (кг · град);

γ_оп - объёмная масса материала опалубки, утеплителя и др. частей опалубочной

системы, кг/м³;

δoп - средняя толщина опалубки, утеплителя и др. частей опалубочной системы, м;

К - общий коэффициент теплопередачи опалубочной системы, Вт/(м² · град);

М - модуль поверхности конструкции, м ^-1;

t_б - температура бетона перед началом прогрева, град;

t_u - температура изотермического прогрева бетона, град;

t_B - температура окружающей среды, град.

При электропрогреве бетона с помощью пластинчатых электродов выделяемая удельная электрическая мощность равна:

U² · 10 ^-3

Р = -------------- , кВт/м³

р_расч · b²