§ 5. Электротермообработка бетона

Одним из наиболее эффективных и экономичных методов интенсификации твердения бетона является его электро­термообработка теплом, получаемым от превращения электрической энергии в тепловую.

В зимних условиях электротермообра­ботка предотвращает преждевременное замерзание бетона, обеспечивая его ин­тенсивное твердение при любой отри­цательной температуре наружного воз­духа. Осенью и весной ускоряется твер­дение бетона, сокращаются сроки распа­лубливания конструкций. В условиях жаркого климата электротермообработ­ка сокращает продолжительность ухода за бетоном, исключая преждевремен­ное его обезвоживание.

Различают следующие способы элек­тротермообработки конструкций: элек­тродный прогрев (электропрогрев), обо­грев электронагревательными устрой­ствами и нагрев в электромагнитном поле (индукционный прогрев).

Электропрогрев (электродный способ). Сущность этого способа заключается в нагревании бетона переменным током промышленной частоты. (Постоянный ток не пригоден, так как он вызывает электролиз воды). Уложенный в конструкцию бетон включают в цепь как электрическое сопротивление. Преобра­зование электрической энергии в теп­ловую происходит непосредственно вну­три бетона. Электропрогрев рекоменду­ется при бетонировании конструкций с большими поверхностями охлаждения и модулем от 8 до 20, когда метод термо­са оказывается неэффективным, а также при сжатых сроках строительства.

Бетонные смеси, которые твердеют при электропрогреве, приготовляют с возможно малым В/Ц на алитовых порт-ландцементах, содержащих не более 10 % трехкальциевого алюмината С₃А, или шлакопортландцементах. Если этого тре­буют сроки строительства, смеси гото­вят на быстротвердеющих цементах ли­бо вводят в них химические ускорители твердения (до 2 % массы цемента для армированных конструкций). Приме­нять бетонные смеси на глиноземистых цементах не рекомендуется.

Бетонную смесь укладывают в опа­лубку и после выдерживания от одного до двух часов включают в электриче­скую сеть.

Стальные электроды заделывают в бе­тон конструкции или располагают на наружных поверхностях.

Количество теплоты, выделяемое при

прохождении тока через бетон, Дж,

Q = 3528PRt, (VII. 18)

где / — сила тока, A; R — омическое сопротивление прогреваемого элемен­та, Ом; t — время, ч.

Образующаяся теплота расходуется на нагрев бетона до заданной темпера­туры и возмещение потерь тепла в про­цессе выдерживания. На это время от­крытые поверхности конструкции при­крывают толем и поверх его утепли­телем.

Существенное значение имеет пра­вильный режим прогрева. Он состоит из трех периодов: разогрева (Tj), изотермического выдерживания при заданной температуре (т₂) и остывания (т₃) (рис. VII.33, а, б, в). Общая про­должительность электропрогрева — т₄. Для конструкций с модулем поверхности от 6 до 15 проектная прочность обеспе­чивается к концу остывания. Конструк­ции с модулем более 15 до достижения заданной прочности выдерживают под напряжением (изотермический период прогрева). На рис. VII.33, г показан график роста прочности бетона, приго­товленного на портландцементах мар­ки М300...М400 после двухчасовой предварительной выдержки и последу­ющего подъема температуры до 80"С в течение 3...4 ч и четырехчасового остывания бетона. Тот же режим отображен на графике прочности (рис. VII.33,d).

Рис. VII.33. Температурные режимы электропрогрева бетона:

а — без учета нарастания прочности бетона при его остывании; 6 — то же, с учетом; в — при импульсной пода­че напряжения; г — интенсивность нарастания прочности бетона на портландцементе при температуре прогре­ва 80 "С: / — бетон марки М200 (В/Ц = 0,67...0,77); 2 — бетон марки М300 (В/Ц = 0,5...0,59); 3 — бетон мар­ки М400 (В/Ц = 0,4...0,45); 4 — бетон марки М500 (В/Ц = 0,33...0,36); д — интенсивность нарастания проч­ности бетона марки М200 на портландцементе при различных температурах изотермического прогрева

Температуру разогрева при выдер­живании массивных конструкций повы­шают со скоростью 8 °С/ч, тонкостен­ных и каркасных — 15°С/ч. С целью сокращения сроков выдерживания изо­термический прогрев надо вести при максимально допустимых для данной конструкции и бетона температурах. Бетон на обычном портландцементе в конструкциях с модулем поверхности до 10 нагревают до 80 °С и в тонкостен­ных конструкциях — до 70 °С. Темпе­ратуру прогрева бетона на шлакопорт-ландцементах увеличивают соответ­ственно на 10 °С, а на быстротвердею-щих цементах уменьшают на 5 °С. Ско­рость остывания по окончании прогре­ва не должна превышать 5 °С для кон­струкций с молулем поверхности от 6 до 10 и 10 ^СС е модулем более 10.

Рамные и каркасные конструкции с жесткой заделкой стыков рекомендует­ся прогревать при температуре не выше 40 °С, чтобы не допустить появления трещин от неравномерного разогрева. Температуру во всех частях конструк­ций надо поддерживать по возможности одинаковой. Для бетонов с повышенным В/Ц предпочтителен мягкий режим с медленным подъемом температуры и мед­лен ным остыв ан ием.

Если применяют бетоны с малым В/Ц, надо внимательно следить за потерями влаги при прогреве, меняя, если пона­добится, его режим. Продолжитель­ность изотермического прогрева назна­чают по графикам нарастания прочности портландцемента при наиболее часто применяемой подвижности бетонной сме­си с осадкой конуса 3...8 см.

В начале разогрева бетона его удель­ное сопротивление * прохождению тока понижается. В дальнейшем, по мере твердения (примерно через 3...3.5 ч) удельное сопротивление, особенно в жестких смесях, начинает заметно уве­личиваться. Чтобы условия прогрева конструкции были постоянными, надо менять параметры тока, обычно уве­личивая напряжение на следующую сту­пень. Например, при использовании вна­чале тока напряжением 49 В с помощью

* Удельное электрическое сопротивление бе­тона зависит от его температуры, количества воды в единице объема и концентрации в ней электролитов.

ступенчатых трансформаторов посте­пенно увеличивают напряжение до 60— 85—121 В..

Для автоматического выдерживания заданного режима применяют импульс­ный способ подачи напряжения от мобильной установки. При этом с помо­щью специальных датчиков, находя­щихся в бетоне, периодически включа­ют электроды под напряжение, чере­дуя короткие импульсы тока (продол­жительностью в несколько десятков секунд) с паузами.

Малоармированные и бетонные кон­струкции можно прогревать сетевым то­ком напряжением 127 В, регулируя скорость разогрева и температуру изо­термического выдерживания периоди­ческим включением сети в моменты не­допустимого повышения температуры.

Удельный расход электроэнергии для прогрева бетона, кВт • ч/м³,

W = P_nT_n + P_ИT_И (VII.19)

где Р_п — удельная мощность для на­гревания 1 м³ бетона до заданной тем­пературы, кВт/м³; Т„ — продолжитель­ность подъема температуры, ч:

T_П = (t_И-t_H.₆) / v; (VII.20)

здесь t_H — температура изотермическо­го выдерживания, °С; 4.6 — началь­ная температура бетона, °С; v — ско­рость подъема температуры бетона, °С; Р_И — мощность для изотермического вы­держивания, кВт/м³; *Г_И — продолжи­тельность изотермического прогрева, ч.

Электроды наиболее выгодно распо­лагать снаружи прогреваемой конструк­ции. Это обеспечивает хорошее тепло­вое поле и значительную экономию ме­талла: такие электроды можно мно­гократно использовать, их устанавли­вают до начала бетонных работ, что упрощает и удешевляет операции по прогреву.

Основные виды элект­родов — пластинчатые, полосовые, плавающие. Если из-за сложности кон­фигурации конструкции невозможно при­менять полосовые или пластинчатые, устанавливают в теле бетона стержне­вые или струнные электроды.

Пластинчатые (нашивные) электро­ды изготовляют из кровельной листо­вой стали, отходов штамповки и др.

При обшивке деревянной опалубки сплошные стальные пластины должны целиком закрывать противоположные плоскости по меньшей стороне (толщине) конструкции. В плоских конструкциях толщиной более 25 см и каркасных с раз­мером сторон более 50 см нашивные электроды, расположенные с двух или четырех сторон, служат для периферий­ного электропрогрева. Внутренняя часть конструкций твердеет под действием экзотермического тепла, выделяемого при твердении цемента, будучи защи­щенной от охлаждения подогреваемым наружным слоем.

Полосовые электроды (рис. VII.34, а) при напряжении 49—85 В делают из полосовой стали шириной 20...50 мм, а при 106 В — из стержней диаметром 6...8 мм, соединяемых в группы. Элек­троды размещают с двух сторон кон­струкции в том случае, когда надо при­менять ток меньшей мощности, не сни­жая его напряжения. При односторон­нем размещении электродов полосы подключают к разным фазам сети про­грева.

Электродные панели выполняют в ви­де закрытых коробов, утепленных тер­мовкладышами. С нижней стороны коро-

бз имеются стальные полосы сечением 40 х 4 мм с оконцевателями, слу­жащими для подключения в сеть (рис. VII.34, б).

Рис. VII.34. Схемы расположения электродов и термодатчиков:

а¹ — схема двухстороннего размещения полосовых электродов; б — дощатая панель с полосовыми электродами; в — схема расположения групп стержневых электродов; г — расположение струнных электродов в колоннах; д — способы изоляции электродов от арматуры; е — установка термодатчика на опалубке; / — стальные поло­сы; 2 — щит из досок толщиной 20 мм; 3 — теплоизоляция; 4 — болты (оконцеватели); 5 — парные струнные электроды; в — крюки для крепления электродов; 7 — отгибы для присоединения к сети; 8 — электрод; 9 —■ арматурный стержень; 10 — изоляция из толя; // — баллон термодатчика; 12 — текстолит; 13 — капилляр

термодатчика; 14 — лист опалубки

Плавающие электроды, изготовляе­мые из стали диаметром 6...12 мм, втап-ливают в поверхность уложенного бе­тона на глубину 3...4 см.

Стержневые электроды представля­ют собой стальные прутки диаметром 5...8 мм, забиваемые в открытые по­верхности бетона на требуемую глуби­ну после его укладки или устанавлива­емые до укладки в отверстия, просвер­ливаемые в опалубке. По одному их располагают в конструкциях сложной конфигурации и с густым армировани­ем на расстоянии до 20 см при напряже­нии меньше 65 В и на расстоянии 40 см при более высоком напряжении. Це­лесообразно располагать плоские элек­тродные группы, содержащие более трех стержневых электродов, приваренных сверху к стержню диаметром 10 мм. Каж­дую группу подключают к одной фазе сети прогрева (рис. VI 1.34, в). Расстоя­ние между группами электродов оп­ределяют по номограммам, учитыва­ющим напряжение тока, его удельную мощность, скорость разогрева и рассто­яние между отдельными стержнями длин­номерных конструкций. До рабочего шва расстояние от ряда электродов не должно превышать 100 мм.

Струнные электроды (рис. VII.34, г) применяют для прогрева колонн, ба­лок, прогонов и т. п. Изготовляют их из круглой стали диаметром 6... 12 мм, устанавливают перед бетонированием па­раллельно оси конструкции звеньями длиной 2,5...3,5 м. Выпущенные загну­тые концы струн служат для подклю­чения к сети прогрева. Струны из 3—5-миллиметровой стали устанавливают по­парно. В качестве одного из электродов можно использовать опалубку, оби­тую кровельным железом; тогда дру­гим электродом служат струны, замо-ноличенные в бетоне.

Чтобы обеспечить равномерный про­грев конструкции и нормальные пере­пады температуры, расстояние а между электродами и арматурой (рис. VI 1.34, д) принимают не менее 5 см при на­пряжении тока 49 В и 10 см — при 85 В. В местах, где требуемые расстоя-

ния между арматурой и электродами соблюсти невозможно, устанавливают местную изоляцию и применяют бетон­ные кубики.

Оборудование для элек­тропрогрева состоит из трехфаз­ного трансформатора (однофазные соеди­няют в трехфазные группы), распреде­лительного устройства с главным и груп­повыми щитками и софитов. Мощность трехфазного трансформатора в 50... ...60 кВт обеспечивает при модуле поверхности М_п = 10 суточный поток бетона 11...12,5 м³.

От распределительного устройства ток подают к софитам из сухих окрашенных досок, на которых установлены ролики для прокладки проводов трех фаз.

Прогрев начинают при температуре бетона не выше 5...10 °С током напря­жением 50...60 В, увеличивая его сту­пенями по мере твердения бетона до 106 В. Бетон укладывают в конструк­ции так, чтобы исключить в/озможность температурных напряжений. Для это­го балки небольших пролетов бетониру­ют целиком; неразрезные балки, жестко связанные с опорами, бетонируют и прогревают участками длиной до 20 м; балки ребристых перекрытий бетони­руют вместе с плитами. Размеры участ­ков плит принимают такими, чтобы вся поверхность свежеуложенного бетона бы­ла покрыта электропанелями. Нераз­резные балки на жестких опорах и мно­гопролетные рамы бетонируют через один пролет и прогревают с разрывами в V₈ пролета (не менее 0,7 м). Разрывы заполняют бетоном и прогревают после остывания ранее уложенного бетона до 10 °С.

При возобновлении прогрева бетона после перерывов включают повторно электроды на участке конструкции, при­мыкающем к вновь уложенному бето­ну. Нужно следить за сохранностью толщины защитного слоя, удалять с поверхности плит и балок воду и це­ментное молоко, а также обеспечить плотный контакт бетонируемой поверх­ности с поверхностными электродами. Контактный электрообогрев приме­няют при возведении конструкций с раз­витой поверхностью (модуль не менее 6) в греющих подъемно-переставной и разборно-щитовой инвентарных опа-

Рис. VII.35. Конструкция контактной греющей опалубки:

а — панель опалубки с греющим кабелем; б — то же, с сетчатым нагревателем; в — схема размещения панелей; г — мат электрический; 6 — подключение щитов объемно-переставной опалубки при прогреве бетона; 1 — ка­бель; 2 — клеммная колодка; 3 — листы асбеста; 4 — минеральная вата; 5 — лист фанеры; 6 — сетчатые на­греватели; 7 — разводящие шины; 8 — силовая сеть напряжением 380 В; 9 — понизительный трансформатор с распределительным щитом; 10 — шины; // — нагревательные элементы; 12 — слой теплоизоляции; 13 — водонепроницаемое стеклополотно; 14 — стекловолокно; 15 — фольга; 16 — кабель для подключения к сети; П — секция опалубки; IS — пульт управления; 19 — сигнальные фонари; 20 — электрические маты; 21 —

датчик температуры

лубках. При этом тепло передается от греющей поверхности опалубки непо­средственно к прогреваемому бетону.

Греющую (термоактивную) опалубку изготовляют в виде щитов, панелей или гибких матов. Нагреватели бывают прово­лочные, из греющих кабелей (рис. VI 1.35, а) и проводов, сетчатые (рис. VII.35, б), пластинчатые и др. Температура на поверхности нагревателей обычно до 250 "С.

Схемы установки оборудования для прогрева бетона в объемно-переставной опалубке показаны на рис. VII.35, д. После установки пульта управления подключают кабели ко всем щитам опа­лубки, электрическим матам и датчикам

температуры, сигнальным фонарям. При включении рубильника напряжение по­дается одновременно на силовые и сиг­нальные цепи пульта. Наличие напря­жения во всех трех фазах контролиру­ется по сигнальным лампам, напряже­ние сети — по вольтметру, установлен­ному на приборной шкале пульта. С по­мощью переключателя к программному электронному регулятору температуры подключают ее датчики, установлен­ные в щитах и под электрическими матами. Температуру в каждом щите проверяют переключением датчиков, ре­жим прогрева бетона автоматически ре­гулируется по наиболее характерной точке опалубки.

Рис. VII.36. Оборудование и схемы индукцион­ного и инфракрасного прогрева бетона:

а — индуктор для прогрева оголовка сваи; б — ин­фракрасный прогрев плиты;, в — пост для предва­рительного электроразогрева бетонной смеси в са­мосвалах: г — поворотная бадья для электроразо­грева смеси; д — схема поста для разогрева бетон­ной смеси; / — инвентарный кондуктор; 2, 11 — бетон; 3 — провод; 4 — стальной кожух; 5 —■ изо­ляция; 6 — стальная опалубка; 7 — брезент; 8 — свая; 9 — отражатель; 10 — инфракрасные излу­чатели; 12 — самосвал; 13 — тельфер; 14 — блок электродов; 15 — ограждение; 16 — заземление; 11 — электроды; IS — отбойный брус; 19 — петля; 20 — токопроводящие устройства; 21 — вибратор; 22 — корпус бадьи; 23 — кабель; 24 — заземление; 25 — калитка в ограждении; 26 — ворота для въезда ма­шин

Разработаны также конструкции на­гревательных устройств на базе углегра-фитовых тканей УУТ-2.

Положительные качества этих элек­трообогревательных гибких устройств с неметаллическими нагревателями по сравнению с сетчатыми, уголковыми,

стержневыми, греющими кабелями и т. п.— полное отсутствие пускового то­ка, быстрое достижение расчетной тем­пературы, равномерность нагрева по длине нагревателя (не выше 5°С), уни­кальная эластичность.

Нагреватели в зависимости от усло­вий эксплуатации, а также вида обо­греваемых конструкций выпускаются двух типов:

1. Термоактивные покрытия ТАП (гиб­кие нагревательные устройства). Кон­струкция ТАП имеет греющую (актив­ную) часть, состоящую из нагреватель­ных элементов в виде полосок ткани УУТ-2 и утеплителя с гидроизоляцией. Применяется для обогрева монолит­ных и сборных железобетонных кон­струкций, отогрева мерзлого грунта, песка, щебня, сушки и отопления поме­щений и т. п.

2. Модульные нагреватели МН. Изго­тавливаются эластичными и жесткими. Греющая ткань заключена в стеклоплас­тик на основе фенольных смол. Пред­назначается для оснащения термоактив­ной опалубки и термоформ для обогре­ва монолитных конструкций. Темпера­тура нагрева достигает 180 °С. Расход электроэнергии при работе нагреватель­ных устройств с неметаллическими на­гревателями по сравнению с традици­онными металлическими снижается на 45...50 %.

Электроматы конструкции ЦНИИОМТП (рис. VII.35, г) состоят из нихромовой проволоки (нагревателя), теплоизоляции, стеклоткани и из асбе­стовой ткани, фольги и водонепрони­цаемой оболочки.

Индукционный прогрев бетона заклю­чается в том, что вокруг прогреваемой конструкции укладывают витки изолиро­ванного провода, по которому пропуска­ют переменный ток. Арматура и сталь­ная опалубка при этом становятся как бы сердечником индукционной катуш­ки и в них начинают циркулировать индукционные (вихревые) токи (рис. VI 1.36, а). Эти токи разогревают армату­ру и опалубку, и получаемое тепло расходуется на прогрев бетона кон­струкций.

Для индуктора используют провода и шнуры с медными и алюминиевыми жилами сечением 70...150 мм². Чтобы

поддерживать равномерную температу­ру бетона по высоте, витки индуктора устанавливают на разных расстояниях друг от друга, сгущая их к низу и к верху. Сначала отогревают арматуру, включив индуктор на 10... 15 мин, затем укладывают бетонную смесь и в тече­ние 2...3 ч выдерживают ее при низких положительных температурах, перио­дически включая индуктор на 15...20мин. Скорость подъема температуры долж­на составлять от 5 до 10 °С/ч, режим нагрева — изотермический. Для индук­ционного прогрева нужно тщательно подбирать характеристику индуктора, чтобы избежать перегрева бетона вбли­зи арматуры.

Электрообогрев наружными источни­ками тепла (отражательными печами, термонагревателями) и инфракрасным излучением применяют при бетониро­вании густоармированных конструкций и сооружений с замкнутыми объемами — коллекторов, тоннелей, бункеров, ко­лонн, а также при заделке стыков, ан­керных болтов и т. п., когда невозмож­но пропускать ток через бетон, так как трудно установить электроды и в тонко­стенных конструкциях возникает опас­ность местного перегрева бетона.

Отражательные печи и термонагре­ватели имеют спирали высокого со­противления, выполненные из нихрома, никелина, фехраля и др. Печи можно использовать для обогрева вертикаль­ных и горизонтальных поверхностей.

Обогрев инфракрасными лучами (рис. VI 1.36, б) очень эффективен. Проходя через воздух, лучи передают тепловую энергию непосредственно облучаемой по­верхности бетона. Это дает возможность прогревать поверхности бетона, при­крытые металлической или даже же­лезобетонной опалубкой. Как правило, применяют неметаллические карбидо-кремниевые излучатели (ТЭНы) с плос­ким или параболическим отражателем из анодированного алюмомагниевого сплава и с ограждением, исключающим обдувание поверхности холодным воз­духом.

При прогреве плит перекрытий плос­кие излучатели располагают на верх­ней стороне плиты, а нижние тщатель­но утепляют. Возможен двухсторонний прогрев колонн сечением до 600 мм, за-

бетонированных в железобетонной или металлической опалубке. Изотермиче­ский прогрев обычно длится 8... 12 ч при температуре 7О...9О°С. Инфракрас­ными излучателями пользуются также, когда нужно отогревать арматуру, про­мороженный бетон, стыки колонн и ри­гелей или обогреть зоны, где произво­дят бетонные работы.

Предварительный электроразогрев бе­тонной смеси у места возведения моно­литной конструкции — «горячий тер­мос» — позволяет упростить работы и снизить их стоимость, а также способ­ствует повышению качества бетона. При уплотнении вибраторами бетонной сме­си, подогретой перед укладкой до 70... ...80 °С, происходит ее остывание и сжа­тие; водяные пары и воздух, находя­щиеся в бетоне, уменьшаются в объеме, что способствует повышению плот­ности и морозостойкости бетона. Уве­личивается допустимая продолжитель­ность транспортирования бетонной смеси на морозе; бетон быстрее приобретает высокую прочность без прогрева его в конструкции.

Бетонную смесь подвижностью 6... ...8 см на бетонном заводе подогревают до +10 °С, что гарантирует ее от чрез­мерного охлаждения при транспорти­ровании.

Для ускорения твердения бетона в армированных конструкциях рекомен­дуется применять добавку хлорида каль­ция (0,5...1 % массы цемента), а для сохранения подвижности смеси добав­лять пластификаторы. Доставленную смесь сгружают в электробункера вмес­тимостью 1...2 м³ или поворотные ба­дьи вместимостью 0,5...2 м³, оборудо­ванные пластинчатыми электродами (рис. VII.36, г, д). Электроды подключают в цепь с напряжением 380/220 В, пред­варительно заземляя бункера, и про­гревают примерно 10.-.20 мин (до 80,,.. ...95°С бетоны на портландцементах и до 90 °С — на шлакопортландцемен-тах).

Прогрев может также вестись непо­средственно в кузовах автосамосвалов с помощью опускных электродов (рис. VI 1.36, в).

Бетонную смесь подают в конструкцию из бункера электроразогрева или ку­зова автомашины без перегрузок. Смесь

укладывают в быстром темле и непре­рывно. Не рекомендуется держать в бункере разогретую смесь больше 10... ...15 мин, чтобы избежать уменьшения ее подвижности.

Сразу после уплотнения неопалублен-ную поверхность бетона укрывают па-ротеплоизоляционными матами.

Процесс разогрева током напряже­нием до 380 В надо строго контролиро­вать и соблюдать правила техники бе­зопасности. Бадьи (бункера) размещают на площадке, огражденной щитами (рис. VII.36, д). В ограждении устраивают ворота, в которые подают задним ходом автобетоновозы.