материалы ТВЗ папка ДИПЛОМ-2014 / зим бед / УП Зимнее-бетонирование-2011

4. Технология бетонных работ методами искусственного прогрева

Тепловая энергия, образующаяся в арматуре и опалубке за счет переменного магнитного поля, передается бетону.

Индукционный нагрев применяется в основном для тепловой обработки длинномерных конструкций с небольшим переменным сечением (колонны, ригели, трубы, опоры ЛЭП, сваи и т. п.) и большим процентом армирования. Этот метод применяется в построечных и заводских условиях.

Интенсивность тепловыделения источников тепла при индукционном нагреве не зависит от свойств бетона, а определяется электрическими и магнитными свойствами источника (арматурой, опалубкой, формой, стенкой камеры) и напряженностью магнитного поля.

Электромагнитные поля с большими периметрами могут быть получены с помощью многовитковых катушек-индукторов из хорошо проводящего материала. Вихревые токи, возникающие в опалубке и арматуре, циркулируют не по всей ее толще. По мере проникновения вглубь электромагнитная волна затухает, поэтому плотность тока и напряженность полей имеют наибольшие значения у поверхности металла.

Электромагнитная волна с частотой f, падающая на поверхность металла, имеющего удельное электросопротивление ρs и магнитную проницаемость µ1, затухает в поверхностном слое толщиной S ( S – глубина проникновения тока в металл)

С единицы поверхности металла, удельное сопротивление которой ρ, а относительная магнитная проницаемость µ, находящейся в переменном с частотой f магнитном поле напряженностью Н, выделяется активная мощность ( Ра), Вт/см2

где ρн имеет физический смысл удельного поверхностного электрического сопротивления материала загрузки:

201

Технология бетонных работ в зимних условиях

Зная ρ, µ и f, можно определить напряженность поля Н, которую необходимо создать, чтобы выделить в металле требуемую мощность Ра. Однако µ является функцией напряженности поля; длявычисления Ранеобходимо заранеезнатьзависимостьµ отН.

На рис. 31 представлена зависимость между удельным электросопротивлением материала (Ом см), выделяемой активной мощностью(Вт/см2) имагнитнымполемнапряженности (Ом/см2).

ρн Ра, Вт/см2

Рис. 31. Зависимость удельной мощности Р и удельного поверхностного сопротивления ρн металла от напряженности магнитного поля

Количество витков N, необходимое для создания требуемой напряженности поля, определяется по формуле

где Z – полное сопротивление системы индуктор-металл на единицу длины индуктора при N = 1, Ом; V – напряжение, подаваемое на индуктор; Н – напряженность поля.

202

4.Технология бетонных работ методами искусственного прогрева

4.4.2.Расчет параметров индукционного прогрева

Расчет индукционного прогрева изделий и конструкций заключается в определении количества витков индуктора (N), требуемого для создания такой напряженности магнитного поля (при заданном напряжении V), при которой обеспечивалось бы снятие с единицы поверхности мощности P3, необходимой для прогрева бетона конструкций по заданному режиму.

Прежде чем запроектировать режим индукционного прогрева каркасных конструкций, необходимо знать ряд исходных данных: 1) геометрические размеры прогреваемой конструкции, м; 2) вид, марку и расход цемента (Ц), кг/м3; 3) требуемую конечную прочность; 4) удельную теплоемкость бетона (Сб),

Дж/(кг С); 5) объемный вес бетона (γб) кг/м3; 6) удельную теплоемкость материала опалубки (Соп), ее объемный вес (γоп) и толщину (δоп); 7) коэффициент теплопередачи через опалубку

(Kт), Вт/(м2 С); 8) температуру наружного воздуха, (tн.в), °С; 9) начальную температуру (tб.н), °С; 10) скорость ветра (Vв), м/с; 11) схему и спецификацию арматуры.

Первый этап расчета – проектирование теплового режима. Методика проектирования режима индукционного прогрева аналогична методике проектирования режима электропрогрева конструкций средней массивности. В табл. 74 приводятся максимально допустимые скорости разогрева конструкций Vmax ин-

дукционным методом ( С/ч).

Задаемся скоростью разогрева в зависимости от вида арматуры и опалубки, а затем рассчитываем необходимую электрическую мощность, требуемую на период разогрева (Рр) и изотермического прогрева (Риз).

Зная тип арматуры, установленной по проекту в конструкцию, определяем ее площадь. Здесь уместно подчеркнуть, что арматура в конструкциях применяется прутковая, в виде каркасов и металлического проката (швеллер, уголок, двутавр).

203

Технология бетонных работ в зимних условиях

Изделия и конструкции могут изготавливаться в деревянной и металлической опалубках.

Таблица 74

Максимально допустимые скорости разогрева конструкций Vmax индукционным методом, град/ч

Впредь мы будем рассматривать несколько схем армирования изделий и конструкций: прутковую в неметаллической опалубке; то же в металлической опалубке, прутковую арматуру и жесткий каркас в неметаллической опалубке, то же в металлической.

Распределение вихревых токов в каждом элементе арматуры не зависит от общего количества элементов, а определяет-

ся отношением rS или 2hS , где r – радиус цилиндрического

элемента; h – толщина плоской арматуры или стенок металлической опалубки; S – глубина проникновения тока. Установлено, что Н (напряженность магнитного поля), от которого зависит Ра (активная мощность), мало изменяется по сечению конструкции. Можно отметить, что все элементы загрузки равнозначны по количеству тепла, выделенного с единицы поверхности. Арматурные каркасы и прутковая сталь (загрузка), расположенные только параллельно оси индуктора, попадают

204

4.Технология бетонных работ методами искусственного прогрева

врасчет, поэтому принцип расчета индукционного нагрева конструкции не зависит от характера армирования.

Приступим красчетуплощади арматуры каркасов Fs, см2 Для прутковойарматуры конструкциивнеметаллическойопалубке

Fs d h n ,

где d – диаметр арматурных прутков, см; h – длина арматуры

взоне индуктора, см; n – количество арматурных прутков в сечении конструкции.

Для жесткого каркаса и прутковой арматуры конструкции

внеметаллической опалубке

Fs d h n Fкн ,

где Fкн – площадь наружной поверхности каркаса, см2.

Для прутковой арматуры конструкции в металлической опалубке

Fs d h n Fопн Fопв ,

где Fопн и Fопв – соответственно площади наружной и внутрен-

ней поверхностей опалубки, см2.

Для прутковой арматуры и жесткого каркаса конструкции в металлической опалубке

При индукционном прогреве изделий и конструкций в металлической опалубке тепловыделяющими считают наружную

ивнутреннюю поверхности опалубки.

Вметаллической опалубке, выполненной из полого цельного цилиндра при толщине стенок больше глубины проникно-

вения тока в металл (в нашем случае ∆S в зависимости от Н изменяется в пределах от 0,3 до 0,55 см), магнитное поле отсутствует, т. к. электромагнитная волна затухает в толще металла. В этом случае в последних двух формулах учитывают лишь наружную поверхность опалубки.

Зная мощность разогрева конструкции, изотермического прогрева, а также площадь поверхности арматуры, определяют

205

Технология бетонных работ в зимних условиях

удельную тепловую мощность, необходимую для прогрева по заданному режиму, Вт/см2:

Pp Pp ,

Fs

Зная Р и Риз из рис. 31, определяют требуемую напряженность магнитного поля Hр и Низ и удельное поверхностное электросопротивление загрузки ρнр и ρниз.

Как уже было отмечено, напряженность поля обусловлена электрическими параметрами и общим сопротивлением системы индуктор – загрузка. Далее определяют составляющие общего сопротивления, приводя его к единице длины индуктора.

Общее сопротивление системы индуктор – загрузка составит, Ом:

где r и ω L – соответственно активное и индуктивное сопротивления системы индуктор – загрузка. В своюочередь

где ri и ω L1 – соответственно активное и индуктивное сопротивления индуктора; rs и ω Ls – активное и индуктивное сопротивления загрузки.

Активное сопротивление цилиндрического индуктора оп-

где А = 1,26 10–5 Ом/см – для медного провода индуктора; А = 1,66 10–5 Ом/см – для алюминиевого провода индукто-

206

4. Технология бетонных работ методами искусственного прогрева

ра; Ri – радиус цилиндрического индуктора, равный Ri (Rк oп) , где Rк – радиус конструкции, см; аi, bi – длины

сторон сечения прямоугольного индуктора, см; ai aк oп ;

bi bк oп ;

где aК и bК – длины сторон сечения конструкции, см. Индуктивное сопротивление цилиндрического индуктора,

где β – безразмерный коэффициент формы индуктора, который определяется из рис. 32 в зависимости от отношения длины (высоты) индуктора к его радиусу:

β

1,2

1,0

0,9

0,8

0,6

0,4

0,2

Рис. 32. Зависимость коэффициента формы β от отношения h/Ri

207

Технология бетонных работ в зимних условиях

Активное сопротивление загрузки, Ом, определяется из формулы

где Пs – сумма параметров загрузки, см.

Для прутковой арматуры конструкции в неметаллической опалубке

Пs dп .

Для жесткого каркаса и прутковой арматуры конструкции в неметаллической опалубке

Для прутковой арматуры конструкции в металлической опалубке

а для прутковой арматуры и жесткого каркаса конструкции в металлической опалубке

Учитывая, что ρн = f(H), а Н для разогрева и изотермиче-

ского прогрева будут различными, то rs и ω Ls тоже различны для разогрева и изотермического прогрева. Примем в дальнейшем следующие обозначения активного и индуктивного сопро-

тивлений системы индуктор – загрузка: rsр , Lрs , rsиз , Lизs .

Поэтому и общее сопротивление этой системы в период разогрева Zp станет иным, чем в период изотермического прогрева Zиз. Вычислим Zp и, задаваясь произвольным напряжением Vp, определим количество витков индуктора, обеспечивающее разогрев конструкции по заданному режиму:

208

4. Технология бетонных работ методами искусственного прогрева

Далее определяется сила тока (Iр) в индукторе при разогреве, А:

По этой величине подбирается сечение провода индуктора.

В том случае если параметры силы тока для прогрева не устраивают строителей, то производится перерасчет. Задаются допустимой силой тока Iдоп, сохраняют неизменной величину Hр, находят число витков

и определяют необходимое напряжение, В:

Требуемое напряжение на период изотермического прогрева должно обеспечить напряженность поля Низ и выделение с арматуры мощности Pиз, В:

Как видно из выражения ( Pа = ρн H2, Вт/см2), тепловая мощность, выделяемая арматурой, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля (см. рис. 32).

На основании анализа данных по производству бетонных работ с последующей индукционной обработкой было установлено, что напряженность магнитного поля по сечению индуктора изменяется незначительно. По высоте же индуктора напряженность изменяется весьма существенно, что приводит к значительной неравномерности температурного поля по высоте конструкции. Так, экспериментом было установлено, что напряженность в центре конструкции почти в два раза больше, чем по краям.

Для обеспечения равномерного напряжения по длине конструкции рекомендуется витки провода укладывать с различным шагом. Так, в центральной части конструкции, равной 3/5

209

Технология бетонных работ в зимних условиях

ее высоты (длины), витки располагают с равным шагом, а по краям расстояние между ними постепенно уменьшается (рис. 33).

2

1

1

3

2

Рис. 33. Схема индукционного прогрева:

а – шаг между витками; h – высота индуктора; 1 – индуктор; 2 – стержневая арматура; 3 – металлическая опалубка

4.4.3. Примеры расчета индукционного прогрева конструкции

Рассчитать параметры индукционного прогрева монолитного ригеля сечением 30 40 см, длиной 3,2 м, армированного

8 стержнями 22 мм, возводимого в деревянной опалубке толщиной 40 мм при начальной температуре бетона +10 °С, температуре наружного воздуха –20 °С, скорости ветра 5 м/с. Бетон класса В22,5 приготовлен на портландцементе М500 (расход 360 кг/м3). Требуемая относительная прочность к концу прогрева –50 % от R28. Кроме того, дано:

210