CC BY
16УДК 691.328:666.015.45
С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет; В.И. БОБЫЛЕВ, ООО «ДСК Инвест+»; А.М. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, Ивановский государственный энергетический университет
Температурные характеристики электротепловой обработки бетона посредством электродного прогрева
Большое практическое значение имеет характер изменения температуры железобетонных изделий при их тепловой обработке. Например, существуют предельные значения скорости нагрева и охлаждения, превышение которых может привести к снижению качества готовых железобетонных изделий из-за возникновения неравномерных тепловых полей в объеме материала [1, 2]. В настоящее время сложились благоприятные условия для широкого применения электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на предприятиях сборного железобетона с использованием источников питания нового поколения, выполненных на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения, вместо традиционных методов (тепловлажностная обработка водяным паром, продуктами сгорания газа) [3]. Наиболее эффективным в энергетическом отношении методом электротепловой обработки является электродный прогрев, когда изделие включается в электрическую цепь и разогревается электрическим током, протекающим в объеме бетона [4].
В качестве объектов исследования использовали стандартные образцы 100x100x100 мм (ГОСТ 10180-78), выполненные из бетона В20 (осадка конуса 4-6 см). Для изготовления и электротепловой обработки образцов бетона применяли опалубку (рис. 1), изготовленную из диэлектрических материалов (оргстекло, ламинированная фанера, текстолит, стеклопластик) как при отсутствии, так и при наличии теплоизоляции (пенопласт толщиной 25-30 мм) на ее поверхности.
Боковые стенки опалубки снабжены отверстиями диаметром 1,8 мм для измерения температуры образца с помощью термопары прибором типа DT 9207А в различных точках: в центре образца (Т1), а также на поверхности боковой грани — вверху (Т2), в центре (Т3) и внизу (Т4) (рис. 1). Электроразогрев бетона производили пропусканием электрического тока частотой 20 кГц и 50 Гц через противоположные грани куба с помощью наложенных на них электродов. В экспериментах использовали источник питания на основе транзисторного преобразователя частоты мощностью 400 Вт. Электротепловую обработку выполняли по графику, характерному для производственных условий предприятий сборного железобетона, который содержит стадию нагревания (длительность в опытах 0,25—2 ч), стадию изотермической выдержки (1—11 ч) при температуре 60—100оС и стадию естественного охлаждения. После охлаждения и дальнейшего созревания в течение 1—30 сут при комнатной температуре образцы подвергали испытанию на сжатие.
На рис. 2 представлены характерные зависимости изменения температуры во времени в различных точках, полученные в экспериментах с образцами при от-
сутствии и при наличии теплоизоляции опалубки. В первом случае (рис. 2, а) на всех стадиях электротепловой обработки наблюдается заметное различие в значениях температуры, измеренной в центре образца Т1, где она достигает наибольшей величины, и на поверхности — Т2,Т3,Т4. Во втором случае (рис. 2, б), как показывает анализ, это различие соответствует погрешности измерений и изменение температуры в различных точках в ходе обработки целесообразно представить общей зависимостью. При этом не отмечается заметного влияния на характер температурных зависимостей таких факторов, как длительность стадии нагревания и частота (вид) воздействующего напряжения.
100
190
Рис. 1. Опалубка для изготовления и электротепловой обработки образцов бетона 100x100x100 мм: 1 - стенки (ламинированная фанера 12 мм или стеклопластик 10 мм); 2 - теплоизоляция (пенопласт 20-25 мм); 3 - отверстия для термопары; 4 - электроды; 5 - эластичная прокладка; 6 - электрический зажим нижнего электрода. Вид сбоку (верхняя проекция) показан без теплоизоляционного покрытия
56
декабрь 2011
jVJ ®
а оС 90
80
70
60
50
40
30
20
10
б оС 80
70
60
50
40
30
20
10
1
2
3
4
5
6
час
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Изменение температуры в различных точках образца бетона в ходе электротепловой обработки: а - опалубка без теплоизоляции, воздействующее напряжение 50 Гц, длительность стадии нагревания Д^агр = 0,5 ч; длительность изотермической стадии Д^зот = 3,5 ч; б - опалубка с теплоизоляцией при использовании напряжения 50 Гц (кривая 1, Д^агр = 0,3 ч; Д^зот = 2,5 ч) и напряжения 20 кГц (кривая 2, Д^агр = 2 ч; Д^зот = 2,5 ч)
На представленных зависимостях (рис. 2) отчетливо различаются все стадии электротепловой обработки: нагревания при практически линейном нарастании температуры; изотермической выдержки — горизонтальные участки и охлаждения — участки снижения температуры. Характерно, что при отсутствии теплоизоляции (рис. 2, а) скорость остывания образца достигает 30—35оС/ч и значительно превышает существующие предельные значения по этому показателю [2, 4]. Применение опалубки с теплоизоляцией (рис. 2, б) позволяет уменьшить скорость остывания до величины не более 8—10оС/ч, что считается приемлемым для объектов с высоким модулем поверхности, к числу которых относятся стандартные образцы 100x100x100 мм [2, 4]. Следовательно, применение такой простой меры, как теплоизоляция на поверхности опалубки, позволяет существенно уменьшить неоднородность температурного поля в обрабатываемом изделии, величину вызванных ею внутренних механических напряжений [5] и отрицательное воздействие этого фактора на качество железобетонных изделий при использовании электротепловой обработки методом электродного прогрева.
Сравнение полученных результатов (рис. 2, б) с температурными зависимостями при разогреве железобетонных изделий в электромагнитном поле (индукционный прогрев) позволяет сделать вывод, что этот способ электротепловой обработки также обеспечивает высо-
кую однородность температурного поля, как и электродный прогрев [6]. Однако использование индукционного прогрева требует применения весьма сложного и дорогостоящего оборудования, пригодного для изготовления ограниченного набора изделий, что делает его недоступным или невыгодным для предприятий малого и среднего бизнеса.
Результаты определения предела прочности при сжатии образцов, изготовленных с использованием электротепловой обработки, полностью подтверждают результаты измерения температурных характеристик и выводы, сделанные выше на их основе. На рис. 3 приведены зависимости суточной прочности бетона от длительности изотермической стадии Д?изот, полученные в результате испытания образцов, изготовленных и обработанных в опалубке с теплоизоляцией и без нее. Такие зависимости, как известно, необходимы для определения условий электротепловой обработки, например длительности Д?изот, с целью достижения отпускной (распалубочной) прочности бетона (70% марочной прочности — 17,5 МПа) спустя одни сутки после изготовления изделия [7]. Согласно рис. 3 при использовании опалубки с теплоизоляцией результаты испытаний дают четкую зависимость (кривая 1) прочности от Д?изот, характер которой подробно объясняется в [7]. Отпускная прочность оказывается достигнутой и превышенной уже при длительности изотермической стадии Д?изот > 1,5—2 ч. В случае отсутствия теплоизоляции на-
МПа ясж МПа ЯСЖ
20 1 40 35 - ■ ■
♦// 4 4 3 \ ■
15 - / Ш _____ отпускная прочность \ ._____ ♦ 30 25 20 —"а А—-- ' ■ - - - - - аА
10 ■ ■ ■ — ♦ ■ 15 • ""а -I->-" А ♦ ^^ \2_
5 ■_____ ■ ■ 1 1 1 1 I А?ивот 10 5 А \±_ 1111 , МСУТ
2
4
6
8
10
5
10
15
20
25
30
35 сутки
Рис. 3. Зависимости суточной прочности при сжатии образцов бетона от длительности изотермической стадии: 1 - опалубка с теплоизоляцией (Тизот = 60оС); 2 - опалубка без теплоизоляции (^ - Тизот = 60оС; ■ - ТИз0т = 80оС)
Рис. 4. Зависимости набора прочности: 1 - зависимость для контрольных образов, созревавших при комнатной температуре (А); 2 - зависимость для образцов после электротепловой обработки в опалубке без теплоизоляции 3 - зависимость для образцов после тепловой обработки в опалубке с теплоизоляцией (■); 4 -нормированная (минимально допустимая) прочность бетона класса В20
час
час
блюдается большой разброс в результатах испытаний, прочность бетона имеет значительно меньшую величину и намного медленнее нарастает по мере увеличения Дгизот (кривая 2). Отпускная прочность достигается в среднем лишь при Д?изот > 8,5—9 ч, и характерно, что ни один из образцов, изготовленных при температуре изотермической стадии Гизот = 80оС, не достиг отпускной прочности.
На рис. 4 представлены зависимости изменения предела прочности при сжатии образцов от длительности их созревания при комнатной температуре (18—23оС) после электротепловой обработки, параметры которой соответствовали условию достижения суточной прочности не ниже отпускной согласно рис. 3 (Д?изот = 2 ч — для опалубки с теплоизоляцией и Д?изот = 9 ч — для опалубки без теплоизоляции, во всех опытах Гизот = 60оС). Там же для сравнения приведена зависимость набора прочности бетоном при комнатной температуре, полученная по результатам испытания контрольных образцов, не подвергавшихся электротепловой обработке.
При построении зависимостей для образцов, набиравших прочность после электротепловой обработки, предполагалось, что их суточная прочность равна отпускной (17,5 МПа).
Согласно рис. 4 для контрольных образцов получена типичная кривая 1, когда нормированное значение прочности бетона достигается на 29-е сут после изготовления изделия. Это является подтверждением соблюдения в ходе опытов требуемых рецептуры бетона, технологии его изготовления и качества ингредиентов.
Эксперименты по электротепловой обработке с использованием опалубки без теплоизоляции дали неожиданный результат: образцы, полученные в этих опытах, не набирают нормированной прочности (кривая 2), а их максимальная прочность не превысила 85% нормированной. Таким образом, ухудшение температурных режимов тепловой обработки бетона отрицательно сказывается не только на величине суточной прочности бетона (рис. 3), но еще в большей степени на дальнейшем наборе прочности, делая бетон непригодным к использованию. Причиной этого, как и в случае снижения суточной прочности, является, по-видимому, появление структурных нарушений в объеме материала из-за неравномерных тепловых полей и вызванных ими внутренних механических напряжений [5].
Кривая 3 рис. 4, полученная по результатам испытания образцов, прошедших электротепловую обработку напряжением 50 Гц и 20 кГц соответственно, показывает, что в случае использования опалубки с теплоизоляцией достигается однозначно положительный результат, который подробно обсуждается в [3]. В среднем уже через 9—11 сут после изготовления прочность образцов достигает нормированного значения, а 28-суточном возрасте она на 18—20% выше нормированной.
С целью анализа и объяснения влияния температурных режимов электротепловой обработки бетона на его механическую прочность выполнена обработка и обобщение результатов измерения температуры (рис. 1, 2). При этом для каждого момента измерения температуры в различных точках образца рассчитывали среднее значение градиента температуры на участках между точкой в центре образца (Т1) (рис. 1) и точками на его поверхности по формуле:
(1)
оС/см 2
1,5
0,5
-0,5
ртс1Т
1 / • дгаёТ |р
/ • - —"а" и уЛ ■ ■ ^
^-Г 1 1 'дгабтПр | 1 ! г*=г/Дгнагр
0,5
1,5
2,5
Рис. 5. Зависимости градиента температуры от времени электротепловой обработки: 1 (•) - опалубка без теплоизоляции, воздействующее напряжение 50 Гц; длительность стадии нагревания Д^агр = 0,5 ч; длительность изотермической стадии Д^зот = 3,5 ч; 2 (■) - опалубка с теплоизоляцией, напряжение 50 Гц; Д^а„, = 0,3 ч; Д^зот = 2,5 ч; 3 (А) - опалубка с теплоизоляцией, напряжение 20 кГц; Д^агр = 2 ч; Д^зот = 2,5 ч
Из полученных значений выбирали наибольшее и использовали для построения зависимостей градиента температуры от времени электротепловой обработки, которое выражали в относительных значениях:
(2)
где ^ — значение температуры в центре образца; — значение температуры на поверхности образца (точки Т2,Т3 или Т4).
Эти зависимости, полученные на основании результатов измерений температуры (рис. 2, 3), представлены на рис. 5. Там же отмечены характерные граничные значения градиента температуры и %га<!Т^, рассчитанные по методике [5] с использованием кривой 3 рис. 4, экстраполированной в область времени, соответствующего электротепловой обработке (0—5 ч). Кривая &ас1Тир представляет собой верхнюю границу области абсолютно безопасных значений градиента температуры в материале ^гайТ ^ ^айТ^, когда внутренние напряжения находятся в пределах упругой деформации бетона и многократное нагружение материала не приводит к снижению его прочности [5]. Кривая ярайТ^ представляет собой нижнюю границу области опасных значений градиента температуры ¡¡¡гайТ > [5]. Внутренние напряжения, соответствующие этой области, приводят к выраженным разрушениям структуры бетона, сопровождающимся псевдопластическими деформациями. В результате этого материал становится практически негодным для использования. При значениях градиента температуры, находящихся между этими границами ^айТ^р < ^ас1Т < &ас1Тщ, возникающие внутренние напряжения приводят к появлению микроразрушений в объеме материала, но постепенное снижение прочности наблюдается лишь в случае многократных нагружений.
Результаты, представленные на рис. 5, свидетельствуют, что независимо от вида применяемой опалубки максимальная величина градиентов температуры наблюдается при значении времени обработки вблизи (* = 1, т. е. в конце стадии нагревания и в начале изотермической стадии. В случае опалубки с теплоизоляцией этот максимум значительно (в 3 раза) меньше, чем в случае опалубки без теплоизоляции, а зависимость градиента температуры от времени вначале находится в пределах области значений < &ас1Т <
и затем уходит из нее в область безопасных значений ¡¡¡гайТ ^ ^га^Гщ при I* > 2,5. Это дает основание полагать, что однократное, непродолжительное воздействие опасных градиентов и вызванных ими внутренних напряжений на обрабатываемый материал не должно вызывать отрицательных для него последствий, что объяс-
0
2
0
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 58 декабрь 2011 Л1] ®
няет положительные результаты испытания образцов, изготовленных в опалубке с теплоизоляцией (кривая 1, рис. 3 и кривая 3, рис. 4).
В случае использования опалубки без теплоизоляции значение градиента температуры быстро возрастает при электротепловой обработке и уже при t * > 0,6 переходит в область абсолютно опасных значений ^ас1Т > ^ас!Тт, оставаясь в ней практически вплоть до завершения обработки. Возникающие при этом внутренние напряжения должны вызывать выраженные разрушения структуры материала и снижение его качества, что и подтверждается низкими показателями механической прочности образцов, изготовленных в такой опалубке (кривая 2, рис. 3 и кривая 2, рис. 4).
Нельзя обойти вниманием еще одно наблюдение. Учитывая, что в течение стадии нагревания, т. е. при изменении t* от 0 до 1 на рис. 5, температура материала равномерно возрастает от начального значения (обычно 10—20оС) до Гизот = 80оС; следует ожидать уменьшения величины градиентов температуры и их опасного воздействия при уменьшении температуры изотермической стадии. Например, согласно рис. 5 в случае снижения этого параметра до ^^ = 40—45оС, что соответствует t * = 0,3—0,45, даже при отсутствии теплоизоляции значение градиента температуры не достигает области опасных параметров и не должно происходить отмеченное выше недопустимое снижение качества материала.
На характер зависимостей рис. 5 в пределах стадии нагревания заметное влияние оказывает ее длительность Д^агр, т. е. скорость повышения температуры. При малой длительности (высокой скорости разогрева) градиент температуры в течение всей стадии нагревания имеет положительные значения (кривая 2, рис. 5), т. е. температура внутри образца всегда выше, чем на периферии. При увеличении длительности стадии нагревания (снижении скорости разогрева) в начальный период этой стадии наблюдается появление отрицательных градиентов (кривые 1, 3, рис. 5), т. е. периферийные слои вначале разогреваются быстрее, чем глубинные. Это обстоятельство свидетельствует о возможности управления величиной градиентов температуры изменением режима электротепловой обработки бетона с целью обеспечения благоприятных условий такой обработки.
Таким образом, результаты электротепловой обработки бетона в значительной степени зависят от величины и характера изменения градиентов температуры в объеме материала и динамики набора прочности бетоном. Для получения бетона требуемого качества необходимо, чтобы в ходе тепловой обработки величина градиентов температуры в объеме материала не достигала области опасных значений, т. е. соблюдение условия &а.с1Т < является обязательным.
Наличие теплоизоляции на поверхности объекта электротепловой обработки позволяет не только значительно снизить бесполезные потери энергии (повысить коэффициент полезного действия) электротепловой обработки [8], но также является эффективным средством уменьшения градиентов температуры в объеме материала и опасности их разрушающего воздействия на его структуру.
Существует возможность благоприятного управления величиной температурных градиентов в материале при электротепловой обработке путем изменения ее параметров.
Необходимо продолжение исследования температурных характеристик и других показателей электротепловой обработки бетона для определения целесообразности применения такой обработки при сравнительно невысоких значениях температуры изотермической стадии (40—50оС).
Ключевые слова: электротепловая обработка бетона,
набор прочности, температурный градиент.
Список литературы
1. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Иваново: ПрессСто, 2010. 364 с.
2. Железобетонные и каменные конструкции / Под ред. В.М. Бондаренко. М.: Высшая школа, 2007. 887 с.
3. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Соколов А.М., Закинчак Т.Н. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 4-7.
4. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбар-цумяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005. 276 с.
5. Федосов С.В., Бобылев В.И., Ибрагимов А.М., Соколов А.М. Методика расчета предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в процессе электротепловой обработки // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 44-45.
6. Волосян Л.Я. Тепло- и массообмен при термообработке бетонных и железобетонных изделий. Минск: Наука и техника, 1973.
7. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Соколов А.М. Исследование суточной прочности бетона при электротепловой обработке бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 52-54.
8. Федосов С.В., Бобылев В.И., Соколов А.М. Методика расчета параметров электротепловой обработки бетонных смесей и железобетонных изделий на установках периодического действия // Известия вузов. Строительство. 2010. № 5. С. 104-113.
_НОВОСи И КОМПАНИЙ
Завершена модернизация производства в г. Видное
На ОАО «ГИПСОБЕТОН», входящем в корпорацию «Главстрой», произведена модернизация дозирующего оборудования на двух линиях по производству ССС. Проект выполнен с применением оборудования Машиностроительной компании ВСЕЛУГ - одной из ведущих в области высокоэффективного оборудования для производства ССС.
Основной специализацией предприятия является выпуск строительного гипса и материалов на его основе. Ассортимент гипсовых смесей включает штукатурные составы ручного и машинного нанесения, шпатлевку, монтажный клей и напольный состав.
В рамках модернизации заменены: винтовые конвейеры, весы бункерные основных компонентов и добавок, измерительный бункер для дозирования перлита.
Для управления процессом в автоматическом режиме изготовлены и установлены автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
По материалам машиностроительной компании ВСЕЛУГ
