CC BY
20
¡¡I УДК 691.002:620.179.1
И ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ В || ТЕХНОЛОГИИ БЕТОННЫХ И II ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Ш.К. Торпищев, Б.Н. Кабдышева, Г.Т. Тлеуленова
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
ЦЦ Заут технологиясында бетон жэне тем1рбетон буйымдарды endipcinde
|||| жогаргы тербелгснде элгктр термияшц вндеШ болшшщта кврсетшен
!!!! Рассмотрены перспективы применения в заводской технологии
¡111 производства бетонных и железобетонных конструкций высокочастотной ||gg электротермообработки
¡gig; The review considers perspectives of high-frequency treated concrete
and iron-concrete structures manufacturing technique employment.
В производстве бетонных и железобетонных конструкций и деталей наиболее длительной операцией является тепловлажностная обработка.
Известно множество способов интенсификации этого процесса. Один из них -нагрев бетона переменным током при непрерывной подаче постоянного напряжения (обычно низкого, 60 В) или переменного (до 220 - 380 В). Изменение напряжения тока при нагреве вызывается необходимостью повышения температуры бетона, в то время как электросопротивление бетонных смесей по мере прохождения реакции гидратации цемента возрастает. Поэтому для поддержания или ускорения темпа нагрева бетона приходится изменять напряжение подаваемого тока.
Непрерывная подача тока может быть признана необходимой при зимних методах бетонирования, когда энергия используется не столько для нагрева изделия, сколько для компенсации теплопотерь бетонной смеси.
При заводском или полигонном изготовлении сборного железобетона во многих случаях оказывается целесообразной прерывистая подача электроэнергии или электропрогрев с переменной величиной напряжения, а также смешанный нагрев: вначале при помощи тока высокой частоты, затем переменным сетевым током [1].
Среди других методов интенсификации термовлажностной обработки используется также инфракрасный нагрев с помощью специальных излучателей или
нагретых металлических поверхностей. Однако, следует отметить что неоправданно мало внимания уделяется технологии прогрева бетонных и железобетонных изделий токами высокой частоты.
Для высокочастотного нагрева бетонных смесей могут быть использованы средневолновой и коротковолновой диапазоны частот. По конструктивным и технологическим соображениям наиболее удобно работать на частоте 0,6 -1,2 Мгц,
Характерными особенностями ВЧ - нагрева являются:
одновременное и равномерное повышение температуры по всему сечению однородного материала, что справедливо в случае нагрева бетона в диапазоне от средневолнового до метрового;
- отсутствие перегрева наружных поверхностей материала,
- отсутствие холостого хода процесса нагрева и связанных с ним потерь тепла, легкость регулирования температуры нагрева по заданному графику, возможность автоматизировать нагрев;
- возможность нагрева без непосредственного контакта электродов с поверхностью изделий.
Наиболее рациональным является комбинированный нагрев бетона токами промышленной и высокой частоты.
Чтобы использовать высокочастотный нагрев, требуется не только выбрать частоту и напряженность поля, но и согласовать их с параметрами нагреваемого материала, т.е., изменяя свойства нагреваемого бетона и габаритные размеры изделий, следует подбирать наивыгоднейшие условия нагрева.
При производстве сборного железобетона можно нагревать изделия последовательно или параллельно током высокой и промышленной частоты. При быстром нагреве тяжелых бетонных смесей током высокой частоты до 50° С, затем промышленным током до 80° - 95° С образцы не обезвоживаются, следовательно в них не возникают усадочные трещины, и в то же время, поверхность образцов не вспучивается (т.е. вода в порах не закипает). Открывается возможность быстрого (20 - 30 мин.) разогрева бетона, что необходимо эффективно использовать.
В 1959 г. в электрофизической лаборатории ВНИИНСМ были проведены опыты по нагреву изделий из тяжелых бетонов токами высокой частоты, последовательным наложением токов высокой и промышленной частот и для сравнения - только сетевым током напряжением 220 и 380 В.
Контрольные образцы хранились в нормально - влажностных условиях в течении 28 суток.
Приготовленную бетонную смесь через 8-10 минут после виброуплогаения в форме, подвергали нагреву. Для этого использовали ламповый генератор ЛГД - 32 с
выходной мощностью 32 кВт на частоте 15-25 Мгц. ТВЧ подводился к образцу с помощью металлического электрода, расположенного в 3 - 5 см. от еш плоскости, без непосредственного контакта с бетоном. При нагреве промышленным током с частотой 50 Гц ток подводили к образцам металлическими электродами контактного типа. Образцы нагревали в течение 10-15 минут с открытой верхней поверхностью.
При "укрытии" образцов слоем асбеста (6 = 5-7 см) время остывания их от 90° до 60° С составляло 6 ч. Для получения бетона прочностью выше 70 % марочный образец вновь подогревали для компенсации тепловых потерь. Использование такого метода нагрева позволило снизить суммарный расход энергии для тепловой обработки бетонов примерно до 80 кВт ч /м3.
Результаты опытов представлены в таблице 1. Для сравнения приведен один из характерных опытов нагрева бетона сетевым током 380 В. При этом на поверхности образцов возникают трещины, и как следствие, понижается прочность.
Особый интерес представляет термообработка изделий из легких бетонов, производство которых неуклонно развивается. Легкобегонные стеновые изделия обладают рядом бесспорных преимуществ, однако требуют весьма длительной тепловлаж-носгаой обработки: при толщине 35-40 см. их выдерживают в пропарочных камерах до 24 часов. Необходимость такой долговременной тепловой обработки объясняется тем, что миграция тепла вглубь изделия затруднена из-за сравнительно низкой теплопроводности бетона. Конструкции и изделия из керамзитобетона, нагретые в пропарочных камерах до 80° ч 90° С, остывают очень медленно. После окончательного нагрева температура изделия сохраняется неизменной или даже увеличивается на нескольш градусов в течении 5 ч 7 часов, а затем наступает длительный период охлаждения, продатжающийся 20 ч 22 часа. Причинами такого замедленного остывания нагретых изделий из керамзитобетона является его низкая теплопроводность и компенсация теплопотерь за счет экзотермии цемента.
Таблица 1
№ п.п Схема нагрева образцов Прочность при сжатии образцов, МПа
1 ТВЧ - нагрев до 86 °С + выдержка 14 часов + подогрев "толчками" до 80 °С 19,0
2 ТВЧ - нагрев до 50 °С + нагрев промышленным током (220 В) до 90 °С + выдержка 6 часов + подогрев до 90°С + выдержка 4 часа 18,0
3 ТВЧ - нагрев до 50 °С + нагрев промышленным током (380 В) до 85 °С + выдержка 6 часов + подогрев до 85°С + выдержка 4 часа 17,0
4 Нагрев промышленным током (380 В) до 90 °С + выдержка 6 часов + подогрев до 90 °С + выдержка 4 часа 12,0
В электрофизической лаборатории ВНИИНСМ В.М. Дроздовым и Д.И. Панфиловой в свое время производились экспериментальные работы по нагреву образцов из легкобетонных смесей токами высокой частоты, последовательным приложением токов высокой и промышленной частоты, и, наконец, только сетевым током напряжением 220 и 380 В. В опытах было установлена возможность равномерного нагрева изделий в течении 10 ч 30 мин. без деформаций, выпучивания или появление трещин. Через 6 ч 12 часов выдерживания в опалубке изделия приобретали отпускную прочность. Расход электроэнергии в среднем составлял около 90 кВт*ч на 1 м3 изделия. Прочность изделий, полученная в экспериментах аналогична прочности изделий из легких бетонов тех же составов, подвергнутых длительному (до 20 ч 22 часов) пропариванию в камере.
Следует отметить, что нагрев ТВЧ или совместным действием токов высокой и промышленной частоты не вызывает ускорения процесса твердения бетона, т.е. гидратации цемента. Таким образом, общая продолжительность твердения бетонных изделий при обработке ТВЧ сокращается за счет обеспечения возможности быстрого подъема температуры внутри изделия и раннего начала процессов гидратообразования.
Однако, этот вывод справедлив для области обследованных частот, а именно от 80 кГц до 30 мГц. При использовании электромагнитных колебаний с более короткими длинами волн принципиально возможен иной ход (возможно многократно интенсивней) процесса набора прочности бетона.
При обработке ТВЧ бетонов на синтетических полимерных связующих, кинетика процесса твердения процесса существенно меняется, поскольку высокочастотное электрическое поле способствует быстрой полимеризации или поликонденсации термореактивных смол.
Работы Г.А. Ицковича, A.M. Шепетова показали, что процесс твердения бетонов на вяжущем из синтетических смол (полимербетонов) можно ускорить при высокочастотном нагреве в 25 ч 30 раз, что позволит перевести производство изделий из таких бетонов на поток.
Термопластичные смолы, такие как, например, фенол-формальдегидная (СП-2) или фенолоспиртовая, используемые традиционно для приготовления бетонов, обычно отверждают в тепловой камере при воздействии дымовых газов с температурой 180° ч 200° С в течении 12 ч 14 час. При воздействии тока с частотой 15 ч 20 Мгц реакция поликонденсации заканчивается через 8 ч 10 мин. без потери прочности и ухудшения других характеристик бетона. [1,2].
Техническая рациональность применения высокочастотной электротермии в технологии бетонов определяется совокупностью качественных и количественных показателей процесса [3, 4]. Основные качественные показатели:
- качество материалов, получаемых при высокочастотном нагреве по сравнению с другими методами термообработки;
- воспроизводимость процесса нагрева в течение технологического цикла обработки большого количества изделий;
- уровень механизации и автоматизации;
- простота управления и безопасность обслуживающего персонала;
- надежность всей технологической нитки включающей установки высокочастотного нагрева;
- резкое сокращение времени термообработки.
К количественным показателям процесса высокочастотного нагрева можно отнести производительность установки и энергоемкость процесса.
Как показывает опыт, общие рекомендации для уменьшения потерь энергии в процессе нагрева сводятся к сокращению времени нагрева и укрупнению электротермических устройств, поскольку в этих случаях резко падают величины \У( (тепловые потери с поверхности или в глубь среды в квт*ч)
При высокочастотном нагреве следует учитывать также к.п.д. преобразователей частоты или генераторов, составляющие важнейшую часть всей высокочастотной установки. Обычно принимают к.п.д. ламповых генераторов равным 0,65 и считают, что стоимость высокочастотной энергии на 35-40% превосходит стоимость энергии в промсети. Однако, к.п.д. преобразователей частоты, зависит от режима повторного включения, т.е. от степени загрузки преобразователей по отношению к их мощности. Обычно преобразователи частоты используются в технологических установках всего на 10 ч 40 % общего времени, что уменьшает к.п.д. их (преобразователей) из-за потерь холостого хода генератора. При 20 %-ном времени загрузки генератора и использовании его половинной мощности к.п.д. лампового генератора падает примерно до 30 %, т.е. использование такого преобразователя дает трехкратное увеличение стоимости сетевого тока.
Кроме энергетических критериев нагрева для оценки технической рациональности следует учитывать ряд других обстоятельств:
- производственные площади, занимаемые установками старого типа и высокочастотными при одинаковой производительности;
- общую технологическую рациональность механизации, автоматизации или ускорения производственных процессов.
Возможны случаи, когда сам по себе высокочастотный нагрев отличается высокой энергоемкостью, за то он улучшает все остальные стадии процесса, поднимает культуру производства и позволяет получить продукцию высокого качества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгополов H.H. Высокочастотный нагрев при изготовлении бетонных конструкций, "Starba", 1962,№ 2.
2. Долгополов H.H. Высокочастотный нагрев в производстве железобе-тон-ных и бетонных изделий // Доклады международной конференции по проблемам ускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций, Стройиздат, 1964.
3. Вологдин В.В. Техническая и экономическая эффективность примене-ния нагрева в электрическом поле высокой частоты // В сб. "Промыш-ленное применение токов высокой частоты в электролинии", Машгиз, 1961
4. Вологдин В.В. Технико-экономические показатели процессов нагрева непроводниковых материалов в электрическом поле высокой частоты // В сб. "Новые физические методы обработки пищевых продуктов" ГОСИНТИ, 1958.
