CC BY
9Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Structural calculations
УДК 666.97.058:66.040:691.32
А.М. ИБРАГИМОВ, д-р техн. наук (igasu_alex@mail.ru), С.С. ЛАВРИНОВИЧ, инженер
Ивановский государственный политехнический университет (153037, г. Иваново, ул. 8 марта, 20)
Физико-математическая постановка задачи о нестационарном теплопереносе через многослойное ограждение при его тепловлажностной обработке
Рассмотрены проблемы, возникающие при тепловлажностной обработке трехслойных железобетонных панелей с утеплителем из пенополистирола на заводах сборного железобетона. Температура тепловлажностной обработки не должна превышать температуру деструктивного разложения пенополистирола. Ячеечная модель нелинейного теплопереноса через многослойную плоскую стенку при различных начальных и граничных условиях позволяет рассчитать распределение температуры по толщине многослойной железобетонной конструкции в любой момент времени на всех этапах тепловлажностной обработки. Приведено краткое описание математической модели теплопереноса в многослойной конструкции.
Ключевые слова: ресурсосбережение, тепловлажностная обработка, математическое моделирование, теплоперенос, цепи Маркова.
A.M. IBRAGIMOV, Doctor of Sciences (Engineering), S.S. LAVRINOVICH, Engineer Ivanovo State Polytechnic University (20, 8 Marta Street, 153037, Ivanovo, Russian Federation)
Physical-Mathematical Statement of a Problem of Non-Stationary Heat Transfer through Multilayer Enclosing
Structure in the Course of Its Heat-Moisture Treatment
Problems that occur during the heat-moisture treatment of three-layer reinforced concrete panels with foam polystyrene insulation at prefabricated concrete plants are considered. The temperature of the heat-moisture treatment should not exceed the temperature of the destructive decomposition of polystyrene. A cell model of non-linear heat transfer through the multilayer flat wall under various initial and boundary conditions makes it possible to calculate the distribution of the temperature through the thickness of the multilayer reinforced concrete structure at any point in time at all stages of the heat-moisture treatment. A brief description of the mathematical model of heat transfer in multilayer structure is presented.
Keywords: resource saving, heat-moisture treatment, mathematical modeling, heat transfer, Markov chains.
В настоящее время проблемы энергосбережения в России и во всем мире приобретают все более острый характер. Актуальными являются вопросы энергоэффективности не только при эксплуатации зданий и сооружений, но и при производстве строительных конструкций [1-3]. Такие строительные материалы, как бетон и железобетон, занимают около 25% стоимости материальных ресурсов, применяемых в капитальном строительстве. Одним из резервов совершенствования ресурсо- и энергосберегающих технологий является тепловлажностная обработка (ТВО) железобетонных изделий на заводах сборного железобетона. Эта завершающая технологическая операция занимает 70-80% времени всего цикла их изготовления.
Тепловлажностная обработка призвана обеспечить требуемую прочность бетона в короткие сроки, но при ТВО снижаются показатели физико-механических свойств бетона по сравнению со свойствами, достигаемыми при его твердении в условиях нормальной температуры. Вследствие различного теплового расширения компонентов в неокрепшем бетоне и неравномерности нагрева различных слоев при изменении температуры широко развиваются деструктивные явления. Для уменьшения этих явлений следует ограничивать скорость изменения температуры паровоздушной среды, иными словами, рационально подбирать режимы тепловой обработки [4-8].
Согласно современным представлениям полный цикл тепловлажностной обработки в заводских условиях подразделяют на 4 основных этапа:
To date the problems of energy conservation in Russia and around the world are becoming more and more acute. The urgent issues are not only energy efficiency in buildings and structures, but also in the production of building constructions. Construction materials such as concrete and reinforced concrete cover about 25 per cent of the cost of material resources used in capital construction [1-3]. One of the reserves to improve resource-and energy-saving technologies is the heat and humidity treatment (HHT) of concrete products at the precast concrete plants. This final technological operation takes 70-80 per cent of the cycle time required for their manufacture.
Heat and humidity treatment aims to provide the required strength of concrete in short time, but HHT reduces the indexes of physical and mechanical properties of concrete compared to the properties attained by its hardening at normal temperature. Due to different thermal expansion of the components in unhardened concrete and uneven heating of the different layers, destructive conditions widely develop when the temperature changes. To reduce these effects it is necessary to restrict the rate of change in air-steam environment temperature, i.e. to select rationally the thermal treatment regimes.
According to modern concepts, the full cycle of factory heat and humidity treatment is divided into four main stages [4-8]:
Stage 1 - preliminary curing before steaming;
Stage 2 - temperature rise in the steaming chamber;
Stage 3 - isothermal warming itself;
Stage 4 - cooling.
Расчет конструкций
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
■ предварительное выдерживание до про- t0,°c 1-й этап 2-й этап
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рис. Fig.
1-й этап паривания;
2-й этап - повышение температуры в камере про-паривания;
3-й этап - непосредственно изотермическое прогревание;
4-й этап - охлаждение.
При выдерживании изделия бетон (1-й этап) несколько упрочняется в зависимости от длительности этого периода. Это повышает конечную прочность бетона, позволяет применять более форсированные режимы, что сокращает длительность ТВО.
Затем изделие помещают в камеру, подают пар, и начинается процесс подъема температуры (2-й этап). Скорость нагрева зависит от состава бетона, конструкции формы, вида изделия и других факторов. Температура повышается от наружных слоев к внутренним. Происходит насыщение водой за счет конденсации пара при соприкосновении его с холодными поверхностями в порах бетона. Реакции твердения цемента ускоряются.
При достижении нормируемой в технологическом регламенте температуры прогрева изделие выдерживается требуемое по технологии время (3-й этап). На этом этапе ТВО во всем объеме изделия деструктивных явлений уже не наблюдается и происходит интенсивный рост прочности.
Оптимальной температурой изотермического прогрева для бетона на портландцементе является температура +80-85оС. Но для трехслойных панелей с внутренним утеплителем из пенополистирола температура ТВО не должна превышать температуру деструктивного разложения +72оС. Исходя из этого необходимо ограничивать длительность пропаривания или максимальную температуру в камере.
После изотермического прогрева происходит охлаждение изделия (4-й этап). Возникающие при этом температурные перепады приводят к образованию растягивающих напряжений. Чем массивнее изделие и чем быстрее оно охлаждается, тем больше величина этих напряжений. Поэтому скорость снижения температуры в камере не должна превышать определенных значений.
Технологические режимы всех четырех этапов ТВО зависят от различных факторов: вида цемента, В/Ц отношения, требуемой прочности бетона, вида конструкции, наличия технологического оборудования и т. д. Существенное влияние на режимы обработки оказывает влажность воздуха.
Бетон одного состава, одних и тех же параметров уплотнения в зависимости от условий тепловой обработки может иметь различную структурную и общую пористости, последняя может измениться в 1,5-2 раза.
Несмотря на то что во время тепловой обработки постоянно происходят процессы, вызывающие структурные дефекты в бетоне, можно путем правильного выбора режимов ТВО, а также назначения соответствующего состава бетонной смеси получить бетоны, обладающие высокими техническими свойствами при минимальных затратах на производство. Ввиду многообразия факторов, влияющих на ТВО, ее параметры и продолжительность подбираются опытным путем с последующей производственной проверкой. Такой метод занимает много времени и связан с излишними экономическими издержками, поэтому построение математической модели, позволяющей подбирать рациональные режимы ТВО, является актуальной научной задачей.
I /I I I
I / I :
I/ i i i
I/ i i i
3-й этап
4-й этап
I I I I I I I I
1
3 4 5 6 7
I ' I ' I 1 I 1 I 1 I 9 10 11 12 13 14
, 1. Этапы тепловлажностной обработки 1. Stages of heat and humidity treatment
Under curing of products concrete (Stage 1) strengthens somewhat depending on the duration of this period. This increases the ultimate strength of concrete, allows using more forced regimes, thus reducing the duration of HHT.
The product is then placed in a chamber, steam is supplied and the process of temperature rise starts (step 2). The heating rate depends on the composition of concrete, the mould design, the kind of a product and other factors. The temperature rises from the outer to the inner layers. Water saturation occurs due to steam condensation from its contact with cold surfaces in the pores of the concrete. The reactions of cement hardening are accelerated.
Upon reaching the heating temperature corresponding to the technological regulations the product is kept warm during the required by technology time (stage 3). At this stage of HHT, the destructive effects throughout the product are not observed, and the rapid growth of strength takes place.
The optimum temperature for isothermal heating for Portland cement concrete is 80-85oC. But for three-layer panels with internal insulation from expanded polystyrene, the steaming temperature should not exceed its destructive decomposition temperature of +72oC. Proceeding from this, it is necessary to limit the duration of steaming or the maximum temperature in the chamber.
After the isothermal heating the cooling of the product occurs (Stage 4). The resulting temperature differences give rise to tensile stresses. The more massive the product is and the faster it cools, the greater is the magnitude of these stresses. Therefore, the rate of temperature decrease in the chamber should not exceed certain values.
The technological regimes of the four HHT stages depend on various factors: the type of cement, the water / cement ratio, the required strength of concrete, the type of construction, processing equipment availability, etc. Air humidity has a significant impact on the treatment regimes.
Depending on the conditions of heat treatment, the singlecomposition concrete with the same compaction parameters may have different structural and overall porosity; the latter may change by 1,5-2 times.
Despite the fact that during heat treatment the processes occur continuously, causing structural defects in the concrete, it is possible through the right choice of the HHT and assigning an appropriate concrete composition, to obtain concretes with high technical properties at minimal production costs. Due to variety of the factors affecting the HHT, its duration and parameters are chosen by experiment, followed by production testing. This meth-
32
22015
T, ч
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
Для решения поставленной задачи необходимо знать распределение температуры внутри конструкции на всех этапах тепловой обработки в любой момент времени.
Появление эффективных средств вычисления операций с матрицами вызвало широкий интерес к математическим моделям, базирующимся на основе теории цепей Маркова [4, 5].
На основе этой теории разработана ячеечная модель нелинейного теплопереноса через многослойную плоскую стенку при различных начальных и граничных условиях. Предложенная ячеечная модель реализована на ЭВМ, она позволяет рассчитать распределение температуры по толщине многослойной железобетонной конструкции в любой момент времени на всех этапах тепловлажностной обработки. По данным этой программы можно выбрать оптимальный режим пропаривания и получить изделие требуемого качества.
Подтверждена работоспособность предложенной модели на основе численных экспериментов и сравнения полученных данных с натурными исследованиями.
Разработаны и внедрены конкретные рекомендации по выбору параметров режимов тепловлажностной обработки в ООО «Полимерпластбетон», г. Ярославль.
Список литературы
1. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю. Проблемы трехслойных ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 9-12.
2. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Касьяненко Н.С., Кра-сильников И.В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов коррозии первого вида цементных бетонов при наличии внутреннего источника массы // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 44-47.
3. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Ч. 2 (продолжение). Ресурсоэнерго-сбережение на стадии монтажа (возведения) конструктивной системы здания и его эксплуатации // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 46-55.
4. Федосов С.В., Елин Н.Н., Мизонов В.Е., Сахаров А.А. Ячеечная модель замерзания и оттаивания влаги в ограждающих конструкциях // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 70-73.
5. Мизонов В.Е., Елин Н.Н., Баранцева Е.А. Моделирование и оптимизация теплового состояния в секционированных объемах с внутренними источниками тепла. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2010. 128 с.
6. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В. Влияние теп-ловлажностной обработки на прочность железобетонных ограждающих конструкций и изделий // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 7-8.
7. Федосов С.В., Мизонов В.Е., Баранцева Е.А., Грабарь Ю.Г., Навинский И.В., Фоломеев Д.Ю. Моделирование прогрева стеновых панелей при их термической обработке // Строительные материалы. 2007. № 7. С. 86-88.
8. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В. Применение методов математической физики для моделирования массо- и энергопереноса в технологических процессах строительной индустрии // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 65-67.
od takes a long time and involves excessive economic costs, so the construction of a computer mathematical model, which allows selecting rational HHT regimes, is an actual scientific problem.
To solve the given problem it is necessary to know the temperature distribution within the structure at all stages of the heat treatment at any time.
The development of high-performance computers and efficient means for calculation of matrix operations arroused a wide interest in mathematical models based on the theory of Markov chains [4, 5].
Based on this theory, a cell model of the nonlinear heat transfer through a multilayer flat wall under various initial and boundary conditions has been developed. The proposed cell model has been implemented on a computer; it allows calculating the temperature distribution through the thickness of a multilayer concrete structure at any time during all phases of heat and humidity treatment. Using the data of this program it is possible to select the optimum steaming regime and to obtain a product of the required quality.
Performance of the proposed model is confirmed by numerical experiments and comparison of the data received with field research.
Specific recommendations on selecting the regimes parameters of computer heat and humidity treatment in LLC "Polimer-plastbeton", Yaroslavl, have been developed and implemented.
References
1. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Gnedina L.Yu. Problems of Three-Layer Enclosing Structures. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2012. No. 71, pp. 9-12. (In Russian).
2. Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Kasianen-ko N.S. Theoretical and Experimental Studies of Processes of Corrosion of the First Kind of Cement Concretes in the Presence of Inner Source of Mass. Stroitefnye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 6, pp. 44-47. (In Russian).
3. Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. Main Directions of Resource and Energy Saving during the Construction and Operation of Buildings. Part 2 (continuation). Resource and Energy Saving at the Stage of Installation (erection) of Structural System of a Building and its Operation. Stroitefnye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 9, pp. 46-55. (In Russian).
4. Fedosov S.V., Elin N.N., Mizonov V.E., Sakharov A.A. A Cellular Model of Moisture Freezing and Thawing in Enclosing Structures. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 3, pp. 70-73. (In Russian).
5. Mizonov V.E., Elin N.N., Barantseva E.A. Modeling and optimization of a thermal state in the partitioned volumes with internal sources of heat. Ivanovo: The Ivanovo state power university of V.I. Lenin, 2010. 128 p.
6. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Gushchin A.V. Influence of heatmoist processing on durability of the ferroconcrete protecting designs and products. Stroitefnye Materialy [Construction materials]. 2006. No. 9, pp. 7-8. (In Russian).
7. Fedosov S.V., Mizonov V.E., Barantseva E.A., Grabar Yu.G., Navinsky I.V., Folomeev D.Yu. Modeling of warming up of wall panels at their heat treatment. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2007. No. 7, pp. 86-88. (In Russian).
8. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Gushchin A.V. Application of methods of mathematical physics for modeling masso-and power transfer in technological processes of the construction industry. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2008. No. 4, pp. 65-67. (In Russian).
