CC BY
47
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 666.973.6
Н.Т. Даужанов, Б.А. Крылов*, Л.Б. Аруова
РГП на ПХВ «КГУ им. Коркыт Ата», *НИИЖБ им. А.А. Гвоздева
ГЕЛИОПОЛИГОНЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНА
Разработаны метод и малоэнергоемкая технология производства изделий из пенобетона, предусматривающие привлечение в технологический передел солнечной энергии в целях снижения энергозатрат на термообработку, позволяющие получать высококачественную продукцию с низкой себестоимостью при суточном цикле производства. При этом для обеспечения равномерности температурных полей по сечению гелиопрогреваемых изделий на полигонах в сочетании с солнечной энергией предусмотрено применение в минимальном количестве дополнительной электрической энергии.
Ключевые слова: гелиопрогрев, ускорение твердения, пластическая прочность, гелиокрышка, оперативный контроль прочности, пенобетон.
Значительная часть затрат при производстве изделий и конструкций из пенобетона приходится на долю энергоносителей, используемых для их тепловой обработки с целью ускорения твердения. Из-за чего многие производители изделий и конструкций из пенобетона вынуждены исключить из технологического передела их термообработку. Следствием чего являются повышенный расход вяжущего, расходы, связанные с применением высоких марок цемента и специальных добавок ускорителей твердения, а также необходимость выделения больших площадей для дозревания пенобетонных изделий и конструкций, и низкая оборачиваемость металлических форм [1, 2].
До настоящего времени многими учеными исследованы вопросы применения возобновляемых источников энергии в строительной отрасли, в т.ч. солнечной, для замещения традиционных видов топлива, используемых при термообработке бетонных изделий и конструкций. Однако, как показывает анализ научной литературы, все известные научные исследования и разработки в этой области посвящены гелиотермообработке обычных бетонов [3—10], в то же время для производства такого эффективного строительного материала, как пенобетон, до сих пор применяются традиционные способы ускорения твердения, требующие значительных энергозатрат. Пенобетоны сильно отличаются от обычных бетонов технологией изготовления, применяемыми сырьевыми компонентами, реологическими свойствами, пористой структурой, а также другими основными характеристиками, поэтому известные методы гелиотер-мообработки, разработанные для обычных бетонов, не пригодны для применения в производстве пенобетонов.
Изучение вопросов использования солнечной энергии в ускорении твердения бетона по литературным данным [11, 12], а также предварительно про-
веденные исследования позволили выявить проблему при односторонней гелиотермообработке пенобетона. Установлено, что температурное поле по всей толщине изделия, особенно в течение первых 7...8 ч, неравномерное, что существенно влияет на происходящий внутри массива процесс тепло-влагопе-реноса.
По данным [13], при двухстороннем подводе тепла к твердеющему бетону наблюдается наибольшая однородность распределения влаги и вследствие этого максимальная равнопрочность изделий. Исходя из этого, для интенсификации твердения изделий из пенобетона на полигонах в целях обеспечения равномерности прогрева изделий и снижения температурных градиентов целесообразно применение наряду с солнечной и дополнительной электрической энергии, воздействие которой на твердеющий бетон может иметь периодический и кратковременный характер.
На основании вышеизложенного, в целях снижения энергозатрат на термообработку, а также для обоснования организации экологически чистого производства, в результате проведенных комплексных исследований нами разработан новый способ ускорения твердения пенобетона, при котором обеспечивается гелиопрогрев изделий по мягким режимам в сочетании с традиционным источником энергии — электричеством.
Производство изделий из пенобетона с использованием для ускорения твердения солнечной энергии на гелиополигонах возможно при благоприятных радиационных и погодно-климатических условиях, которые характеризуются наибольшим количеством солнечных и жарких дней в году. Так, например, для южных регионов Казахстана характерно продолжительное знойное лето с предсказуемой стабильной температурой наружного воздуха в пределах 35...42 °С, а уровень солнечной радиации достигает свыше 6 квтч/м2. Такие погодно-климатические условия создают надежные предпосылки для организации гелиополигонов по производству изделий из пенобетона. Согласно данным [14], кроме Казахстана южные регионы РФ, а также такие среднеазиатские республики, как Узбекистан, Таджикистан, Туркмения и Киргизия, также имеют благоприятные климатические условия для организации полигонного производства пенобетонных изделий с использованием гелиотехнологии в теплое и жаркое время года. Поэтому с учетом огромных масштабов регионов с благоприятными погодно-климатическими условиями привлечение энергии солнца в производстве пенобетона для замещения традиционных видов энергии имеет большие перспективы.
На основе проведенных исследований выявлено, что для производства изделий из пенобетона целесообразно проектирование следующих типов гелио-полигонов, приведенных в [15]:
а) сезонные гелиополигоны при действующих заводах ячеистобетонных (желательно пенобетонных) изделий, применяющих традиционную технологию производства. Они наиболее целесообразны для организации малозатратного производства изделий из пенобетона. Такое размещение позволяет использовать действующее оборудование, энергообеспечение и бытовое обслуживание; без дополнительных капитальных затрат производить пенобетон-ную смесь с последующей ее формовкой; оперативно обеспечивать занятость рабочих после завершения сезона работ на гелиополигоне;
б) выносные гелиополигоны на действующих заводах по производству изделий из обычного бетона. При этом требуется установить такое дополнительное оборудование, как смеситель для пенобетона, пеногенератор, компрессор воздуха, и обеспечить лабораторными контрольно-измерительными приборами. Поэтому организация выносных гелиополигонов сопряжена с дополнительными затратами как на приобретение оборудования, так и на их установку;
в) гелиополигоны, предусмотренные при проектировании новых заводов по производству сборных изделий из пенобетона (рис. 1 [16]). При этом в зимнее время года производство изделий из пенобетона может продолжаться по традиционной технологии в крытом цеху. Преимущество этого варианта заключается в том, что он позволяет обеспечивать занятость рабочих, когда в связи с наступлением холодов завершается сезон работы на гелиополигоне.
При проектировании полигонного производства изделий из пенобетона с применением предлагаемого разработанного способа интенсификации их твердения, необходимо, прежде всего, определить основные параметры гелио-термообработки.
Расчеты по определению продолжительности сезона гелиотермообработ-ки изделий, а также расчеты тепловых балансов и прогнозирование приобретаемой прочности определяются с учетом типоразмеров, модуля открытой поверхности изделий, класса по прочности и марки по средней плотности пенобетона, климатических данных конкретного региона, теплотехнических характеристик гелиокрышек и других факторов.
При отработке полного технологического цикла производства изделий из пенобетона на полигоне в производственных условиях по разработанной гелиотехнологии были использованы заводские составы пенобетонных стеновых изделий D600-800, соответствующие требованиям ГОСТ 25485, в которых применялись портландцемент М400, песок кварцевый Мкр = 1,2 и пенообразователь протеиновый Laston.
Пенобетонная смесь изготавливалась на пенобетоносмесителе по классической двухстадийной технологии с использованием пеногенератора (рис. 1).
Отдозированные сырьевые компоненты загружались во вращающийся смеситель в строго определенной последовательности: вода, кварцевый песок, цемент и пенообразователь из пеногенератора. После перемешивания всех компонентов определяли плотность и пластичность поризованной смеси. По мере необходимости производили корректировку плотности смеси, добавляя в воду пенообразователь или регулируя время перемешивания поризованной смеси. Из пенобетоносмесителя готовая смесь подавалась по шлангу в подготовленную и установ- Рис. 1. Схема техн°логии пр°-
ленную строго горизонтально форму. изв°дства шш&тога: 1 бункеры
тт „ цемента и песка; 2 — готовый раствор
Дальнейшее обеспечение качества изде- '
^ пенообразователя; 3 — пеногенера-
лий из пенобетона осуществляется условием тор; 4_компрессор; 5_пенобето-
их выдерживания — исключающее быстрое носмеситель; 6 — формы
ВЕСТНИК
МГСУ-
4/2014
1 I
Рис. 2. Разрез кассетной формы, оснащенной гелиокрышкой и установленной на греющем поддоне: 1 — греющий поддон; 2 — ТЭНы; 3 — пенобетонные изделия; 4 — замковые устройства; 5 — уплотнитель; 6, 7 — верхний и нижний слои прозрачного покрытия; 8 — металлическая рама
испарение влаги с поверхности изделий. Поэтому формы с пенобетонной смесью герметично закрывались гелиокрышкой (рис. 2) и перемещены в термосную камеру.
После выдержки в термосной камере при температура 35±5 °С в течение 2,5...3 ч и набора пластической прочности 400...600 гс/см2, достаточной для гелиотермообра-ботки, формы с изделиями переместились на открытый полигон, где были установлены на поддоны оснащенные теплоэлектронагре-вателями (рис. 2). Как показали результаты экспериментов в производственных условиях, расход
электрической энергии минимален и в среднем составляет от 10 до 20 кВт/ч на 1 м3 пенобетона, что значительно меньше по сравнению с аналогичными расходами при известных способах электрообогрева и паропрогрева.
Для обеспечения суточного цикла оборачиваемости форм и обеспечения набора изделиями необходимого количества градусо-часов в течение дня прогрев изделий в гелиоформах следует начинать не позже 10 ч утра. При производстве разных видов пенобетонных изделий время начала гелиотермообра-ботки следует назначать исходя из толщины и массивности выпускаемой продукции.
Гелиотермообработка осуществляется в течение 22 ч и пенобетонные изделия за это время, в зависимости от класса по прочности и марки по средней плотности, приобретают прочность от 40 до 55 % от марочной прочности.
После завершения гелиотермообработки и распалубки форм для добора отпускной и марочной прочности изделия перемещаются на зону хранения готовой продукции (см. рис. 1, зона F [16]), где укладываются на поддоны штабелями.
При масштабном внедрении разработанной гелиотехнологии особую роль приобретает контроль прочности пенобетонных изделий. При гелиотермоо-бработке и практически одинаковых технологических параметрах производства прочностные показатели пенобетонных изделий в основном зависят от климатических факторов. Поэтому, если на заводах, работающих по обычной технологии, контролируют лишь нормируемые значения прочности бетона (отпускной и в проектном возрасте), то для гелиополигонов контроль прочности пенобетонов необходим также для уточнения дальнейшей технологической схемы изделий: продления гелиотермообработки, регулирования мощности дополнительной электрической энергии, размещения изделий на посту дозревания с последующим уходом, при хранении до отгрузки продукции и т.д.
За нарастанием прочности выпускаемых пенобетонных изделий разработана система оперативного контроля, которая включает графики нарастания прочности в зависимости от температуры твердения, стандартные образцы, температурный контроль в процессе твердения, неразрушающий контроль по завершении выдерживания пенобетонных изделий.
Как показали расчеты, продолжительность функционирования гелиополи-гона по производству изделий из пенобетона для районов Средней Азии (46° с.ш.) составляет 8 мес. в году, т.е. с марта по октябрь. Для достижения наибольшего эффекта от применения разработанного способа комплексной гелио-термообработки изделий из пенобетона необходима устойчивая теплая и ясная погода, когда температура окружающей среды в полдень достигает значения больше 20 °C.
Установлено, что повышенных прочностных показателей можно достичь при оптимальном сочетании экзотермии цемента в пенобетоне с мягкими режимами как прогрева, так и остывания изделий.
Библиографический список
1. Пинскер В.А. Состояние и проблемы производства и применения ячеистых бетонов // Ячеистые бетоны в современном строительстве : сб. докл. Mеждунар. науч.-практ. конф., 21—23 апр. 2004 г. СПб., 2004. С. 1—5.
2. Коротышевски О.В. Новая ресурсосберегающая технология по производству высокоэффективных пенобетонов // Строительные материалы. 1999. № 2. С. 37—38.
3. Заседателев И.Б. Роль климатических факторов в создании энергосберегающих технологий сборного железобетона // Технология бетонных работ в условиях сухого жаркого климата : материалы IV Всесоюзного координационного совещания по проблеме. Душанбе, 1988. С. 20.
4. Миронов С.А., Малинский Е.Н. Основы технологии бетона в условиях сухого жаркого климата. M. : Стройиздат, 1985. 317 с.
5. Baron S. The embedded energy costs in solar energy systems // Solar & Wind Technology. 1984. Vol. 1. No. 1. Pp. 63—69. DOI: 10.1016/0741-983X(84)90035-3.
6. Крылов Б.А., Заседателев И.Б., Малинский Е.Н. Изготовление сборного железобетона с применением гелиоформ // Бетон и железобетон. 1984. № 3. С. 17—18.
7. Подгорнов Н.И. Термообработка бетона с использованием солнечной энергии. M. : Изд-во АСВ, 2010. 328 с.
8. Lu Changgeng. Industrial Production of Concrete Components in China. Betonwerk+Fertigteil-Technik (Concrete Precasting Plant and Technology). 1986. No. 5. 56 p.
9. Geller Steven Н. Review of accelerated curing in the concrete pipe industry // Concr. Ynt. Des. and Constr. 1983. No. 8. Pр. 43—45.
10. Greenwood К. Concrete manufacture and supplying in hot climates // Precast Concrete. 1979. Vol. 10. No. 5. Pр. 219—220.
11. Крылов Б.А. Солнечная энергия и перспективы ее использования для интенсификации твердения бетона // Использование солнечной энергии в технологии бетона : Mатериалы совещания по проблеме. Ашхабад, 1982. С. 20—25.
12. Аруова Л.Б., Даужанов Н.Т. Использование солнечной энергии для гелиотер-мообработки бетона в Республике Казахстан // Алитинформ. 2011. № 3 (20). С. 14—18. Режим доступа: http://www.alitinform.ru/zh_pdf/20.pdf.
13. Малинина Л.А. Тепловлажностная обработка тяжелого бетона. M. : Стройиздат, 1977. 160 с.
14. Куликова Л.В. Основы использования возобновляемых источников энергии. [Электронный ресурс]. M., 2008. Режим доступа: http://ecoclub.nsu.ru/altenergy/ common/common2_3.shtm. Дата обращения: 28.01.14.
15. Пособие по гелиотермообработке бетонных и железобетонных изделий с применением светопрозрачных и теплоизолирующих покрытий (СВИТАП) к СНиП 3.09.01—85. M. : НИИЖБ, 1987. 14 с.
16. Даужанов Н.Т., Крылов Б.А. Малоэнергоемкая технология термообработки изделий из пенобетона на полигонах с помощью солнечной энергии // Вестник МГСУ 2014. № 3. С. 149—157.
Поступила в редакцию в январе 2014 г.
Об авторах: Даужанов Наби Токмурзаевич — кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры и строительного производства, Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата (РГП на ПХВ «КГУ им. Коркыт Ата»), Республика Казахстан, 120014, г. Кызылорда, ул. Айтеке би, д. 29А, [email protected];
Крылов Борис Александрович — доктор технических наук, профессор, академик РААСН, главный научный сотрудник, Научно-исследовательский, проек-тно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева (НИИЖБ им. А.А. Гвоздева), 109428, г. Москва, ул. 2-я Институтская, д. 6, [email protected];
Аруова Лязат Боранбаевна — доктор технических наук, профессор кафедры архитектуры и строительного производства, Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата (РГП на ПХВ «КГУ им. Коркыт Ата»), Республика Казахстан, 120014, г. Кызылорда, ул. Айтеке би, д. 29А, [email protected].
Для цитирования: Даужанов Н.Т., Крылов Б.А., Аруова Л.Б. Гелиополигоны для производства изделий из пенобетона // Вестник МГСУ. 2014. № 4. С. 79—86.
N.T. Dauzhanov, B.A. Krylov, L.B. Aruova
SOLAR GROUNDS FOR THE PRODUCTION OF FOAMED CONCRETE ITEMS
The method and low-energy intensive technology of manufacturing products of foamed concrete are developed providing bringing-in a solar energy in technological conversion for reducing the energy consumption for heat treating, allowing to obtain high quality products at low cost with a diurnal cycle of production. Thereby, the use of a minimal amount of additional electrical energy is stipulated for providing a consistence of temperature fields in the cross section of helio heated products in landfills in combination with solar energy.
Until now, many scientists have investigated the issues of using the renewable energy resources in the construction industry including solar ones, for replacement of conventional fuels applied in the thermal treatment of concrete products and structures. However, pursuant to the analysis of the scientific literature, all known research studies and developments in this area are devoted to heliothermal treatment of conventional concrete, and at the same time the traditional methods for acceleration of hardening requiring significant energy consumption are still in use in production of such an effective building material as foam concrete. There are various methods of heliothermal treatment including combined ones, but they are not applicable in their production due to the specific characteristics (unlike conventional concrete) of manufacturing technology, the used components, the particular rheological properties, as well as a porous structure of foam concrete.
Both the examining the use of solar energy in acceleration of foam concrete hardening according to the literature data and the pre-studies have revealed a problem under unilateral heliothermal treatment of foam concrete. It is found out that the temperature field of across thickness of the massif, especially during the first 7-8 hours, is irregular, that significantly affects the process of heating moisture transfer occurring within the massif.
According to the previously obtained data, there is the highest uniformity of moisture distribution efficiency and thereby a maximum strength uniformity of products under bilateral supply of heat to the hardening concrete. On this basis, it is advisable to use
both solar and additional electric energy having impact of periodic and short duration on the hardening concrete for the intensification of the foam products hardening in landfills in order to ensure a uniform heating of products and reducing temperature gradients.
Calculations showed that the duration of landfill operation on production of foam concrete products for the areas of Central Asia located in 46° N is 8 months per year, i.e. from March to October. In order to achieve the greatest effect in the process of applying the developed method for complex heliothermal treatment of foam concrete products, there is a need in a steady warm and clear weather when the ambient temperature at noon reaches the values higher than +20 °C.
It is found out that high strength characteristics can be achieved under optimum combination of exotherm of cement in foam concrete with soft modes of warming-up and cooling down of products.
Key words: solar heating, hardening acceleration, plastic strength, solar cover, efficient control of strength, foam concrete.
References
1. Pinsker V.A. Sostoyanie i problemy proizvodstva i primeneniya yacheistykh betonov [State and Problems of Production and Use of Cellular Concrete]. Yacheistye betony v sovre-mennom stroitel'stve: sbornik dokladov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, 21—23 aprelya 2004 g. [Cellular Concrete in the Modern Construction. Collection of the International Scientific and Practical Conference, April 21—23, 2004]. Saint Petersburg, 2004, pp. 1—5.
2. Korotyshevski O.V. Novaya resursosberegayushchaya tekhnologiya po proizvodstvu vysokoeffektivnykh penobetonov [New Resource-saving Technology for the Production of High-performance Foam Concretes]. Stroitel'nye materialy [Building Materials]. 1999, no. 2, pp. 37—38.
3. Zasedatelev I.B. Rol' klimaticheskikh faktorov v sozdanii energosberegayushchikh tekhnologiy sbornogo zhelezobetona [The Role of Climatic Factors in the Creation of Energy-saving Technologies of Precast Concrete]. Tekhnologiya betonnykh rabot v usloviyakh sukhogo zharkogo klimata: materialy IV Vsesoyuznogo koordinatsionnogo soveshchaniya po problem [Materials of 6th All-Union Coordination Meeting on the Issue "Technology of Concrete Works in Dry Hot Climate]. Dushanbe, 1988, pp. 20.
4. Mironov S.A., Malinskiy E.N. Osnovy tekhnologii betona v usloviyakh sukhogo zharkogo klimata [The Basics of Concrete Technology in Dry Hot Climate]. Moscow, Stroyizdat, 1985, 317 p.
5. Baron S. The Embedded Energy Costs in Solar Energy Systems. Solar & Wind Technology. 1984, vol. 1, no. 1, pp. 63—69. DOI: 10.1016/0741-983X(84)90035-3.
6. Krylov B.A., Zasedatelev I.B., Malinskiy E.N. Izgotovlenie sbornogo zhelezobetona s primeneniem gelioform [Production of Prefabricated Reinforced Concrete by Using He-lioshapes]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1984, no. 3, pp. 17—18.
7. Podgornov N.I. Termoobrabotka betona s ispol'zovaniem solnechnoy energii [Heat Treatment of Concrete Using Solar Energy]. Moscow, ASV Publ., 2010, 328 p.
8. Lu Changgeng. Industrial Production of Concrete Components in China. Betonwerk+Fertigteil-Technik (Concrete Precasting Plant and Technology). 1986, no. 5, 56 p.
9. Geller Steven N. Review of Accelerated Curing in the Concrete Pipe Industry. Concr. Ynt. Des. and Constr., 1983, no. 8, pp. 43—45.
10. Greenwood K. Concrete Manufacture and Supplying in Hot Climates. Precast Concrete. 1979, vol. 10, no. 5, pp. 219—220.
11. Krylov B.A. Solnechnaya energiya i perspektivy ee ispol'zovaniya dlya intensifikatsii tverdeniya betona [Solar Energy and Prospects of its Application for Concrete Hardening Intensification]. Ispol'zovanie solnechnoy energii v tekhnologii betona: Materialy soveshchaniya po problem [Materials of the Meeting on the Problem "The Use of Solar Energy in Concrete Technology"]. Ashkhabad, 1982, pp. 20—25.
12. Aruova L.B., Dauzhanov N.T. Ispol'zovanie solnechnoy energii dlya geliotermoo-brabotki betona v Respublike Kazakhstan [Using Solar Energy for Heat Treatment of Concrete in Kazakhstan]. Alitinform Publ., 2011, no. 3 (20), pp. 14—18. Available at: http://www. alitinform.ru/zh_pdf/20.pdf.
13. Malinina L.A. Teplovlazhnostnaya obrabotka tyazhelogo betona [Stream Treatment of Heavy Concrete]. Moscow, Stroyizdat Publ, 1977, 160 p.
14. Kulikova L.V. Osnovy ispol'zovaniya vozobnovlyaemykh istochnikov energii [Fundamentals of Using Renewable Energy]. Moscow, 2008. Available at: http://ecoclub.nsu.ru/ altenergy/common/common2_3.shtm. Date of access: 28.01.14.
15. Posobie po geliotermoobrabotke betonnykh i zhelezobetonnykh izdeliy s primen-eniem svetoprozrachnykh i teploizoliruyushchikh pokrytiy (SVITAP) k SNiP 3.09.01—85 [The Manual for Heat Treatment of Concrete and Concrete Products Using Translucent and Thermal Barrier Coatings (SVITAP) to Construction Requirements SNiP 3.09.01—85]. Moscow, NIIZhB Publ., 1987, 14 p.
16. Dauzhanov N.T., Krylov B.A. Maloenergoemkaya tekhnologiya termoobrabotki izdeliy iz penobetona na poligonakh s pomoshch'yu solnechnoy energii [Low-Energy Thermal Processing Technology of Foamed Concrete Products in Landfills Using Solar Energy]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 149—157.
About the authors: Dauzhanov Nabi Tokmurzaevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Architecture and Construction Production, Ky-zylorda State University Named after Korkyt Ata (Korkyt Ata KSU), 29A Ayteke bi St., Kyzylorda, 120014, Kazakhstan; [email protected];
Krylov Boris Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician, Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (RAASN), chief research worker, Scientific and Research, Design and Construction and Technological Institute of Concrete and Reinforced Concrete after A.A. Gvozdev (NIIZhB named after A.A. Gvozdev), 6, 2 Institutskaya str., Moscow, 109428, Russian Federation; krylov_ba@ mail.ru;
Aruova Lyazat Boranbaevna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Architecture and Construction, Kyzylorda State University Named after Korkyt Ata (Korkyt Ata KSU), 29A Ayteke bi str., Kyzylorda, 120014, Kazakhstan; [email protected].
For citation: Dauzhanov N.T., Krylov B.A., Aruova L.B. Geliopoligony dlya proizvod-stva izdeliy iz penobetona [Solar Grounds for the Production of Foamed Concrete Items]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 4, pp. 79—86.
