§4. Электропрогрев

Среди применяемых в технологии зимнего бетонирования методов термообработки бетона одно из ведущих мест принадлежит электропрогреву.

Обладая рядом достоинств: мобильностью и простотой, эффективностью и технологичностью, сравнительно низкими потребными мощностями и расходом энергии  электропрогрев имеет разнообразные модификации, что предопределило весьма широкую область его применения и позволило до настоящего времени успешно конкурировать с более «молодыми» методами электротермообработки бетона.

Свежеуложенная бетонная смесь является проводником электрического тока, который, протекая через бетон, включенный в электрическую цепь как сопротивление, нагревает его.

По закону Джоуля-Ленца тепло , выделяющееся в сопротивлении при прохождению по нему тока равно:

(4.1)

где 3,6 кДж  тепловой эквивалент одного Втч;

 сила тока, А;

 напряжение, В;

 сопротивление, Ом;

 время, ч.

Отсюда видно, что количество выделяемого в бетоне тепла прямо пропорционально квадрату напряжения ,  одному из основных параметров, допускающих произвольное варьирование, и обратно пропорционально электрическому сопротивлению прогреваемого элемента . В свою очередь, электросопротивление элемента зависит от удельного сопротивления бетонной смеси и способа подведения напряжения: геометрических размеров и конфигурации прогреваемого элемента и электродов, схемы их расстановки и соединения.

В простейшем случае

, (4.2)

где  удельное сопротивление бетона;

 соответственно длина и площадь поперечного сечения бетонного элемента.

Для достижения требуемой прочности в минимальные сроки необходимо стремиться вести разогрев на максимально допустимых скоростях, а сам прогрев – при максимально допустимых температурах.

Температура бетона при электропрогреве определяется величиной подводимой к бетону электрической мощности, которая должна назначаться в зависимости от выбранного режима термообработки и величины теплопотерь, имеющих место в процессе прогрева.

Требуемая в период подъема температуры удельная тепловая мощность определяется по формуле :

(4.3)

Мощность , требуемая для поддержания температуры бетона на стадии изотермического прогрева, определяется лишь компенсацией тепловых потерь в окружающую среду:

(4.4)

где , и - удельные мощности, необходимые соответственно для нагревания самого бетона, опалубки и восполнения теплопотерь в окружающую среду, ;

- удельная мощность, соответствующая интенсивности тепловыделения при твердении цемента, осредненно принятая равной 0,8 ;

- средняя за период подъема температура, равная , ;

- температура изотермического прогрева бетона, °C;

- скорость подъема температуры бетона (средняя по объему конструкции),

°C/ч;

- температура наружного воздуха, °C;

- удельная теплоемкость бетона, принятая равной 1,05 кДж/кг°C;

- удельная теплоемкость материала опалубки или укрытия опалубленных

поверхностей, кДж/кг°C;

- плотность бетона, кг/м³;

- плотность материала опалубки или укрытия опалубленных поверхностей,

кг/м³;

- толщина материала опалубки, м;

К – коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия опалубленных

поверхностей, ;

- модуль поверхности, м^-1;

V – объем бетона конструкции, м³.

Для подведения электрической энергии к бетонной конструкции, подлежащей термообработке, и выделения в ней установленной расчетом (4.3) мощности, при электропрогреве используются системы электродов. Чаще всего применяют пластинчатые, полосовые и стержневые электроды (рис.1).

В качестве пластинчатых электродов используются, обшитые со стороны бетона листовым железом, щиты опалубки (рис.2А). Пластинчатыми электродами прогреваются конструкции небольшой толщины 0,4 – 0,6 м – балки, элементы стен, ростверки и т.п. Напряжение разных фаз подается на противоположные электроды, ток идет сквозь всю толщу бетона, джоулево тепло выделяется во всей массе бетона.

В качестве полосовых электродов используется полосовая сталь или нарезки листового железа, закрепляемые на определенном расстоянии друг от друга на внутренней стороне опалубки(рис.2Б). На электроды подается напряжение разных фаз: 1ф-2ф-3ф-1ф-2ф-3ф-1ф-2ф и т.д. Ток идет от электрода одной фазы к электродам соседних фаз, тепло выделяется в периферийном слое, пронизываемом током.

В качестве стержневых электродов используются отрезки арматурной стали диаметром 6-8мм. Электроды устанавливаются по бокам опалубки (рис.2В) – периферийный прогрев, или по клеточной системе (рис.2Е) или, в шахматном порядке . Напряжение разных фаз подается на электроды так, чтобы образовывались трехфазные системы. При прогреве протяженных конструкций (колонны, ригеля, балки) используются плоские электродные группы (рис.2 Г и Д). Электроды каждой плоской группы коммутируются между собой и на них подается напряжение одной фазы. На соседние плоские группы подается соответственно напряжение других фаз.

Так как геометрические размеры прогреваемой конструкции являются величиной заданной – это или проектные размеры конструкций, или технологически выделенные их части, то обеспечение требуемой мощности , определенной предварительным расчетом по (4.2), возможно ограниченным набором вариантов:

 выбор конкретной величины напряжения U (современные установки для электропрогрева дают возможность получать пониженные напряжения – 49 В, 60 В, 70 В, 90 В, 100 В, 110 В; кроме того возможно использование сетевого напряжения 127 В, 220 В и 380 В); выявление наименее сложного в технологическом или экономическом отношении электродного параметра, который при заданных остальных и выбранном напряжении, будет определен расчетным путем;

 назначение электродных параметров, исходя из технологических (или экономических) соображений, и расчет, конкретного для осуществления заданного режима прогрева, напряжения U.

Таким образом, расчет сводится к выявлению, во-первых, наименее сложного (наиболее свободного) в технологическом отношении параметра – назовем его условно “свободным”; заданию, во-вторых, конкретных величин других параметров и, в-третьих, определение расчетным путем величины свободного параметра.

Рассмотрим основные технологические ситуации: