Применение электротепловой обработки железобетонных изделий на полигонных установках Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.328:666.015.45

С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, Ивановский государственный политехнический университет; Б.А. КРЫЛОВ, д-р техн. наук, ОАО «НИЦ «Строительство» (Москва); В.И. БОБЫЛЕВ, д-р техн. наук, ООО «ДСК Инвест+»; А.Г. ПЫЖИКОВ, генеральный директор, Н.В. КРАСНОСЕЛЬСКИХ, первый зам. генерального директора, ОАО «ДСК» (Иваново); А.М. СОКОЛОВ, д-р техн. наук, Ивановский государственный энергетический университет

Применение электротепловой обработки железобетонных изделий на полигонных

установках

Актуальной задачей в сфере производства сборного железобетона является снижение энергоемкости производственных процессов с целью уменьшения себестоимости продукции [1]. Выполненные оценки показали, что при технологических процессах, применяемых на заводах, наибольшую и значительную долю в себестоимости готовых изделий составляет стоимость тепло-влажностной обработки водяным паром (ТВО) [2, 3]. Перспективным направлением улучшения технико-экономических показателей является замена этого вида тепловой обработки электропрогревом [1, 4, 5], обладающим значительно большей энергетической эффективностью и, как следствие, меньшей стоимостью [2, 4]. Благоприятные условия применения электротепловой обработки (ЭТО) в настоящее время складываются благодаря возможности ее осуществления с помощью источников питания нового поколения, выполненных на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения [4, 6].

На протяжении длительного периода на ОАО «ДСК» (Иваново) силами специалистов предприятия, Ивановского государственного архитектурно-строительного университета и Ивановского государственного энергетического университета проводятся исследования и разработки по применению ЭТО с сочетании с традиционными методами тепловой обработки или взамен их. За этот период были выполнены достаточно обширные экспериментальные и теоретические исследования в этом направлении, в результате чего установлено влияние многих факторов на показатели и характеристики электротепловой обработки токами повышенной частоты [2, 4, 6—8]. Исследования показали высокую техническую, энергетическую и экономическую эффективность этого технологического решения. Вместе с тем влияние таких важных параметров режима

электротепловой обработки, как длительность стадии разогрева (скорости разогрева) и время предварительной выдержки изделия после завершения формования до начала электротепловой обработки оставалось неизученным.

С помощью описанных ранее оборудования и методики [4, 7, 8] были выполнены лабораторные экспериментальные исследования указанных факторов с использованием стандартных образцов 100x100x100 мм из бетона класса В20. На рис. 1 представлены полученные зависимости предела прочности бетона при сжатии от длительности стадии нагревания при двух типичных значениях температуры изотермической выдержки 60 и 80оС. Длительность этой стадии согласно ранее полученным результатам [8] имела во всех опытах одинаковую величину и составляла 2 и 1 ч соответственно.

Приведенные зависимости позволяют сделать вывод, что длительность стадии нагревания должна быть либо не менее 3,5—4 ч при температуре изотермической стадии 60 и 80оС соответственно, либо не более 0,3 ч. В последнем случае разогрев должен производиться с большой скоростью — до 300оС/ч и более, но для этого требуются источники питания значительно большей мощности [9]. При длительности нагрева в диапазоне между указанными значениями, т. е. 0,3 ч < А1нагр < 3,5 ч, бетон в возрасте 28 сут не достигает нормативной прочности и такой режим обработки неприемлем. Полученный результат подтверждает наличие деструктивных воздействий на материал в процессе его нагрева даже при однородном температурном поле, подробное качественное объяснение физической природы которых дано в [1].

На рис. 2 в виде диаграммы представлены результаты определения предела прочности при сжатии стандартных образцов бетона В20 в суточном возрасте. Они под-

МПа 30

25 20 15 10

5

0,5

1,5

2,5

3,5

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии бетона В20 от длительности стадии нагревания А1нагр и температуры изотермической ста-

ДИИ Ти:

= 80оС

% 80

60

40

20

0

1 ч

1,5 ч

Рис. 2. Влияние времени предварительной выдержки А1 после укладки бетона до начала электротепловой обработки на суточную прочность образцов. Примечание: при А1=0 фактическое значение этого параметра составляет 5-10 мин

2

3

ч

Рис. 4. Электротепловая обработка фрагмента фундаментного блока: а - внешний вид опалубки; б - проведение электротепловой обработки; в - изделие после электротепловой обработки, охлаждения и распалубки

* f

3

Рис. 3. Конструкция опалубки для изготовления и электротепловой обработки фрагмента фундаментного блока: 1 - источник питания; 2 - бетон; 3 - опалубка; 4 - электроды; 5 - подводящие провода

верглись электротепловой обработке токами повышенной частоты при различных значениях выдержки времени Д1 после укладки бетона до начала электротепловой обработки. Что касается этого фактора, вывод очевиден: электротепловая обработка изделия должна начинаться сразу же после завершения формовки, без какой-либо временной выдержки, так как при ее длительности 1 ч и более предел прочности при сжатии в суточном возрасте оказывается меньше нормированного значения (рис. 2). В этих экспериментах было обнаружено также значительное изменение характера разрушения испытуемых образцов, которые были изготовлены при Д1 > 1 ч. Эти образцы при испытании на прессе в момент потери механической прочности полностью теряли форму, распадаясь на большое количество фрагментов (кусочков), имеющих максимальные размеры в поперечнике не более 2—4 см. Эти фрагменты разлетались по всей плите испытательного пресса и за ее пределы. Такая картина разрушения не соответствует характерной форме стандартных образцов после испытаний при определении предела прочности при сжатии [4, 5], когда они по виду напоминают две усеченные пирамиды, обращенные к друг другу вершинами.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что длительная выдержка образцов Д1 > 1 час в сочетании с электротепловой обработкой приводит к значительным изменениям структуры материала (бетона) и, по-видимому, состава продуктов гидратации цемента.

Целесообразно проведение дальнейших исследований в этом направлении с целью математического описания указанных явлений.

Накопленные к настоящему времени экспериментальные сведения, полученные в лабораторных условиях, а также разработанные методология, математические модели и расчетные методики, описывающие процессы электротепловой обработки токами повышенной частоты [10] позволяют перейти к реализации опытно-промышленного применения такой обработки в произ-

___________Т7 ( ._\т6 \Т5 —-т

X 1 4 Ч 5 1 Т2 \ ! •----- V 1 ~ Т1 1 ц 1 ..................... 1 ................. 1

~ 1 1 —1 ———I 1

Рис. 5. Схема измерения температуры в эксперименте с фрагментом фундаментного блока

водственных условиях предприятий сборного железобетона. В качестве варианта первоочередного опытно-промышленного применения электротепловой обработки периодического действия с помощью источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения целесообразно выбрать использование электротермообработки взамен ТВО в полигонных установках. Такой выбор обусловлен тем, что в полигонных установках имеет место наименьшая эффективность использования энергии пара. Поэтому применение электротепловой обработки в этом случае должно дать максимальный технический и экономический эффект. Использование электротепловой обработки взамен полигонных установок позволит также изготовить технологическое оборудование более удобным для работы и обслуживания, что приведет к улучшению условий и повышению производительности труда. На полигонной установке изготавливаются простые по конструкции и форме железобетонные изделия (как правило, элементы фундаментов зданий), удобные для реализации электропрогрева электродным методом.

В качестве объекта испытания опытно-промышленного применения электротепловой обработки электродным методом выбран фрагмент фундаментного блока марки ФБС 9-24.4.6-Т ГОСТ 13579-78 (600x580x400). Такое изделие является «доборным» элементом к широкой номенклатуре фундаментных блоков (ГОСТ 13579-78), имеет сравнительно неболь-

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

~36 ноябрь 2013 Ь^ШШ'

шие размеры и объем Уб « 0,13 м3, удобные для проведения эксперимента, с модулем поверхности МП = 11,8 м-1 и является типичным представителем продукции такого типа и назначения. Это позволяет предположить, что результаты, полученные в опытах с этим объектом, можно перенести на другие изделия этого вида продукции с применением простого масштабирования по размерам и объему.

Для изготовления и электротепловой обработки выбранного объекта была использована разборная опалубка, выполненная из сухих сосновых досок толщиной 30 мм, конструкция которой представлена на рис. 3. По своим теплоизоляционным свойствам такой материал соответствует слою пенопласта толщиной около 1 см [1, 5]. Электроды изготовлены из листового железа толщиной 0,8 мм и расположены на внутренней стороне поверхности опалубки, на двух противоположных гранях изделия с наибольшей площадью 8э=0,58х0,6=0,348 м2 (рис. 3). Для электротепловой обработки был использован источник питания на основе транзисторного преобразователя напряжения мощностью 5 кВт.

После укладки и уплотнения бетона класса В20 в опалубку (рис. 3) на ее электроды подавалось напряжение от источника питания (рис. 4) и выполнялась электротепловая обработка посредством пропускания электрического тока повышенной частоты (12 кГц). Объем бетона (изделия) составил Уб « 0,08 м3.

В ходе испытания периодически выполнялось измерение температуры с помощью термопары прибором типа БТ 9207А в различных точках объекта обработки согласно рис. 5, а также регистрировались электрические параметры электротепловой обработки: напряжение и, ток I и определялась мощность Р.

На рис. 6 представлены полученные при испытании зависимости изменения температуры материала по результатам ее измерения в различных точках, электрического напряжения, тока и мощности, передаваемой через источник питания. Эти зависимости подтверждают, что режим электротепловой обработки соответствует параметрам, рекомендованным по результатам лабораторных (рис. 1) [8] и теоретических исследований [6, 10]. При температуре изотермической стадии 80 °С длительность стадии нагревания составила ~3,6 ч, изотермической стадии — 1 ч, скорость охлаждения находится в пределах допустимых значений [1, 5]. По электрическим параметрам на стадии нагревания фактически имеет место режим постоянной мощности (рис. 6, б). Изменение электрических параметров — напряжения, тока, сопротивления (рис. 6, б, в) [6] соответствует результатам лабораторных и теоретических исследований [6, 7, 9].

Для оценки условий электротепловой обработки решающее значение имеют сведения о температурном поле в объеме материала. На рис. 7 представлены экспериментальные и расчетные [10] зависимости распределения температуры по двум характерным направлениям (рис. 5) для различных моментов времени обработки. Следует отметить, что опытные значения показывают меньшую степень неоднородности температурного поля, чем результаты расчета. Это можно объяснить тем, что фактическое значение коэффициента теплопроводности стенок опалубки меньше типового значения, взятого по справочной литературе и использованного в расчетах.

Также выполнены оценки энергетических и стоимостных показателей электротепловой обработки фрагмента фундаментного блока, результаты которых представлены в таблице (по состоянию цен на конец 2011 г.).

Более высокие значения электрической мощности (рис. 6, б) и электроэнергии (таблица), полученные в расчетах, обусловлены тем, что при вычислениях не

Т Т1

■ ■ ♦

У * • ,>Т4

у Т7

&

А

Г

г 1

Стадия нагревания Изотермическая Стадия охлаждения

стадия

б

кВт

1,2 -120

1 -100

0,8 - 80

0,6 60

0,4 40

0,2 20

0 _

и, • I

1 ♦ ^ р(

■ ' - ^ ■ ' ♦ ♦ ►

, и< . ■ ■

Г " '

А- Ж" " : ■ ■, к Г

^А- 1—

(Зтадия нагревания Изотермическая Стадия

стадия охлаждения

Ом 8-

Г

♦ ♦ £

♦ ♦ ♦ ♦

\

Стадия нагревания

Стадия охлаждения

Изотермическая стадия

Рис. 6. Изменение температуры (а), электрического напряжения, тока и мощности (б) и электрического сопротивления (в) при электротепловой обработке фрагмента фундаментного блока: линии - расчет; точки - эксперимент

учитывался дополнительный нагрев материала за счет тепла гидратации цемента.

Выводы

Получено экспериментальное подтверждение представленных ранее теоретических результатов о высокой однородности температурных полей в объеме материала, о значительном повышении энергетической эффективности (более чем на порядок) и существенном снижении стоимости затраченной энергии (в 5,5—6 раз) при электротепловой обработке электродным методом реальных железобетонных изделий по сравнению с показателями ТВО водяным паром.

а

10

2

3

4

5

6

7

час

2

3

6

4

5

7

в

7

6

5

4

3

0

2

3

4

5

6

7

T - --

~ - « «, :

♦

А

----i x,f

70 60 50 40 30 20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 см Рис. 7. Распределение температуры для различных моментов времени: линии - расчет, точки - эксперимент; сплошные линии - ТА), пунктирные - Т(х); тонкие линии - расчет при наличии теплоизоляции на поверхности опалубки (пенопласт 5 см)

Вид показателя Затраты электроэнергии, кВтч Стоимость электроэнергии, р. Затраты и стоимость тепловой энергии приТВО в Гкал/р.

расчет опыт расчет опыт расчет

Для изделия (объекта обработки) 3,96 3,71 11,9 11,13 0,035/65,25

На 1 м3 железобетона 49,5 46,4 148,5 139,2 0,43/815,7

Примечание. При составлении таблицы тариф на электроэнергию принят равным 3 р./кВт-ч; тариф на тепловую энергию - 1864,4 р./Гкал (постановление РСТ Ивановской области №436-Т/9 от 25.11.2011).

Установлено значительное влияние показателей начальных стадий (стадии предварительной выдержки, стадии нагревания) на важнейший параметр бетона — предел его прочности при сжатии; необходимо продолжение исследования этого влияния и разработка его математического описания.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости применения «мягких» режимов разогрева железобетонных изделий при скорости нагрева не более 10—15оС/ч в случае использования электротепловой обработки электродным методом; с другой стороны, они показывают возможность применения форсированного разогрева при скорости 200—300оС/ч и более; необходимо исследовать целесообразность применения такого режима на практике после изучения структуры и физико-технических характеристик прогретого бетона.

Авторы выражают благодарность за эффективную и профессиональную помощь в подготовке и проведении экспериментальных исследований сотрудникам ивановского ОАО «ДСК» А.П. Шишову, В.П. Горшенину, В.В. Лушникову, Г.Н. Кузнецовой.

Список литературы

1. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбар-цумяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005. 276 с.

2. Федосов С.В., Бобылев В.И., Петрухин А.Б., Соколов А.М. Оценка показателей экономической эффективности электротепловой обработки на предприятиях сборного железобетона // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 3. С. 54—57.

3. Богомолов О.В. Как сократить затраты на тепловую энергию // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 20-22.

4. Федосов С.В., БобылевВ.И., Митькин ЮА, Закинчак Т.Н., Соколов А.М. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 2-7.

5. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2003. 500 с.

6. Федосов С.В., Бобылев В.И., Соколов А.М. Исследование режимов работы технологической установки при электротепловой обработке железобетонных изделий методом электродного прогрева. Сб. трудов Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». МГСУ, Москва, 19-21 октября 2011 г. Т. 1. С. 637-642.

7. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Соколов А.М. Исследование параметров электротепловой

обработки бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 51—53.

8. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин ЮА, Соколов А.М. Исследование суточной прочности бетона при электротепловой обработке токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 52—53.

9. Федосов С.В., Бобылев В.И., Соколов А.М. Исследование параметров установок для электротеп-ловой обработки железобетонных изделий // Бетон и железобетон. 2011. № 2. С. 26-29.

10. Федосов С.В., Соколов А.М. Методология исследования процессов теплопереноса и показателей электротепловой обработки железобетонных изделий токами повышенной частоты // Academia. 2012. № 2. С. 117-123.

12-15 МАРТА

Челябинск

VII СОЦИАЛИЗИРОВАН",!« BbCTA&ÍA

УралСтройЭкспо.

Энерпо- и Ресурсосбережение, )ЮО< - новые стандарты

1 Стсюитимны9 материалы ч „ >

и оййудоеате В&н" * ' ■{ |

для их производства Щ^Г"-

1 Инженерные сети: всщо-, тепло-, ф'

газе-, электроснабжение 'Йи* ^'

■ Строительство т

■ Строительно-дорожная.

коммунально-уборочная, Шш ■ 1Ттт<Д ;\Л.

специальнаятеяника ИГ _*

■ Фасадные н кровельные системы щ "Сй

■ Энергосберегающие технологии |Щ * в строительстве и ЖКХ

1 Жшмп^пО-хОымунЭльное хОЗ^ОРО И др.

е РАМКАХ ВЫСТАВКИ: "IV ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ ФОРУМ"

ДС «i Юн ость«. Свердловский пр., 51 Те л. : (351} 215- В8 -77 w w w. р уо74.™

38

ноябрь 2013

iA ®