Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы тепловой обработки бетона 18-60
1.1. Энергоносители, применяемые для интенсификации твердения бетона
1.2. Потребление традиционных топливно-энергетических ресурсов на ускорение твердения бетона
1.3. Особенности твердения бетона в экстремальных услови- ях сухого жаркого климата
1.4. Анализ теории и практики использования солнечной энергии в технологии бетонных работ
1.5. Основные направления использования солнечной энергии при производстве бетонных работ. Цель и задачи исследования
Глава II. Теоретическое обоснование методов использования солнечной энергии в технологии бетонных работ
2.1. Прямой нагрев бетона солнечной радиацией. Математическая модель процесса теплопереноса в бетоне при прямом воздействии на него лучистой энергии
2.2. Преобразование солнечной энергии в тепловую в низко-потенциальных энергетических установках
2.3. Аккумулирование солнечной энергии в энергоемких материалах
2.4. Системы концентрации плотности потока солнечной радиации. Определение геометрических и энергетических параметров отражателей гелиотехнических устройств для тепловой обработки бетона
2.5. Комбинированные гелиотехнические системы 138-142 Выводы по главе II 143-145
Глава III. Экспериментальные исследования гелиотехнических устройств и систем для тепловой обработки бетона
3.1. Методики исследований. Материалы и лабораторное оборудование для проведения экспериментальных работ
3.2. Исследование оптических свойств полимерных пленок 156-168
3.3. Физические модели эксперименальных гелиотехнических устройств и систем и их энергетическая оценка
3.4. Простейшие устройства 178-200
3.5. Гелиокамеры 201-228
3.6. Аккумулирование солнечной энергии в заполнителе 229-232
Выводы по главе III 233-238
Глава IV. Исследование влияния новой технологии термообработки бетона в различных гелиотехнических устройствах и системах на его физико-механические свойства
4.1. Свойства бетона, приготовленного на предварительно нагретых солнечной энергией заполнителях и воде
4.2. Твердение бетона с открытой поверхностью при прямом нагреве его солнечной энергией
4.3. Исследование послойной прочности бетона 268-274
4.4. Кинетика роста прочности бетона 275-303
4.5. Оптимизация продолжительности тепловой обработки 304-318 бетона с использованием солнечной энергии
4.6. Долговечность бетона 319-355
Выводы к главе IV 356-360
Глава V. Внедрение результатов исследований в практику строительства и технико-экономическая оценка эффективности использования солнечной энергии при производстве бетонных работ
5.1. Методы выдерживания свежеуложенного бетона моно-литных конструкций
5.2. Производство сборных бетонных и железобетонных изделий
5.3. Техническая эксплуатация низкопотенциальных гелио-технических устройств
5.4. Особенности методики определения экономической эффективности использования солнечной энергии при производстве бетонных работ
5.5. Экономическая эффективность использования солнечной энергии для ускорения твердения бетона
Выводы к главе V 412-414
Общие выводы 415-424
Литература 425-455
Приложения 456-486
- Потребление традиционных топливно-энергетических ресурсов на ускорение твердения бетона
- Преобразование солнечной энергии в тепловую в низко-потенциальных энергетических установках
- Исследование оптических свойств полимерных пленок
- Твердение бетона с открытой поверхностью при прямом нагреве его солнечной энергией
Введение к работе
В 80-е годы прошлого столетия в связи с энергетическим кризисом мировая энергетика начала поиск новых энергетических теплоносителей. Рост мирового энергопотребления с неизменно уменьшающимися запасами природных ископаемых при одновременном ослаблении экологической напряженности возможен за счет активного вовлечения возобновляемых источников энергии. По данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК) возобновляемые источники энергии к 2020 году должны составить 10% от мирового энергопотребления. Это возможно лишь при условии ускоренного развития и освоения нетрадиционных энергоносителей, к числу которых относится солнечная энергия.
Все виды энергии, вырабатываемые на поверхности планеты (энергия сжигания концентрированного органического топлива, атомная, термоядерная и другие), в конечном итоге трансформируются в теплоту и нагревают атмосферу. Перед человечеством возникает новая проблема «теплового загрязнения» воздушного бассейна планеты. Солнечное излучение, приходящее на Землю, не изменяет теплового баланса планеты и потому является «чистым» видом энергии.
При существующих темпах научно-технического прогресса и численного роста человечества выход мировой энергетики за предельно допустимый уровень можно ожидать к концу столетия. Из этого следует, что на определенном этапе научно-технического развития земной цивилизации использование солнечной энергии становится неизбежным.
Строительство относится к числу энергоемких отраслей народного хозяйства. Производство бетона, как основного строительного материала, связано с затратами значительного количества топливно-энергетических ресурсов в виде низкопотенциального тепла. Например, на производство цемента требуется 20 млн. т, а на изготовление сборных железобетонных изделий - 12 млн. т условного топлива, что в сумме составляет 40% топливно-энергетических затрат, приходящихся на промышленность строительных материалов. При бетонировании монолитных конструкций и сооружений используется более 6 млн.т условного топлива главным образом в виде электрической энергии. Из общего расхода топливно-
энергетических ресурсов 35% приходится на районы с благоприятным условиями применения солнечной энергии для ускорения твердения бетона.
В условиях индустриализации строительного производства, возведения инженерных сооружений по интенсивной технологии, осуществления в практике строительства энергосберегающей политики использование солнечной энергии в технологии бетонных работ приобретает народно-хозяйственное значение.
Имеется определенный опыт в области использования солнечной энергии в народном хозяйстве. Разработаны и применяются различные промышленные и бытовые гелиоэнергетические системы и установки: солнечная электростанция, высокотемпературные печи для получения сверхчистых материалов и сплавов, солнечные электрические батареи, плоские коллектора нагрева воды и т.д. Теоретические работы отечественных гелиоэнергетиков, опыт эксплуатации гелиоуст-ройств в различных областях является основой для широкого использования солнечной энергии в строительстве.
Солнечная энергия - необычный вид энергоносителя, применение которого представляет научную и практическую проблему в технологии бетонных работ. До недавнего времени промышленному освоению этого вида энергии для интенсификации твердения бетона не придавали какого-либо значения из-за его специфичности, в частности, низкой плотности энергии излучения и прерывистого характера поступления солнечной радиации на поверхность Земли.
При всей сложности и трудности задачи исследования несомненно, что разработка экономически и технически эффективных технологий для выдерживания бетона в гелиотехнических устройствах и системах - требование сегодняшнего дня. Это возможно при решении следующих проблем:
организационная - создание политических, юридических и экономических условий для замещения органического топлива солнечной энергией; разработка нормативной документации для строительных организаций по использованию солнечной энергии;
технологическая - разработка принципиально новых технологий выдерживания и тепловой обработки бетона в различных гелиотехнических устройствах и системах;
энергетическая - энергетическая оценка гелиотехнических устройств и систем и выбор наиболее рациональных из них;
техническая - проектирование, изготовление и внедрение гелиотехнических устройств и систем на предприятиях стройиндустрии.
Основополагающую доказательную роль использования солнечной энергии для твердения бетона следует отнести в первую очередь и энергетической, технологической и технической проблемам, от решения которых определяется целесообразность вовлечения нового источника энергии в энергобаланс предприятий стройиндустрии.
Диссертационная работа посвящена решению проблемы использования солнечной энергии для интенсификации твердения бетона. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ, методов, гелиотехнических устройств и систем для термообработки сборного и монолитного железобетона с использованием энергии.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы выполнены в Московском институте коммунального хозяйства и строительства; отдельные лабораторные исследования проведены в экспериментальном центре Центрального научно-исследовательского и опытно-экспериментального института организации, механизации и технической помощи строительству. Материалы диссертации разработаны автором самостоятельно. В диссертационную работу вошли отдельные экспериментальные данные, полученные и опубликованные в открытой печати совместно с сотрудниками лаборатории при научном руководстве автора.
Для достижения цели диссертационной работы теоретически и экспериментально обоснованы методы использования солнечной энергии в технологии бетонных работ: прямой нагрев бетона, преобразование солнечной энергии в тепловую в низкопотенциальных энергетических установках, аккумулирование солнечной энергии в энергоемких материалах, концентрация плотности потока сол-
8 нечной радиации для повышения энергетической эффективности работы гелиотехнических систем и устройств, комбинированный способ тепловой обработки бетона.
При прямом нагреве бетона для защиты его поверхности разработаны различные пленкообразующие композиции и суспензии, в том числе гидрофобные (авт. свид. 833896, 990745, 1175914), саморазрушающаяся пена для защиты поверхности линейно-протяженных бетонных конструкций, к которым предъявляются требования по температурным градиентам в период твердения бетона (авт.свид. 1096917), способы ухода за бетоном с применением полимерных пленок (авт. свид. 607828, 666157).
Наиболее эффективно при прямом нагреве бетона образовании гелиотехнической системы лучистая энергия - бетонное тело - светопрозрачное покрытие, в которой в полной мере используется принцип «парникового эффекта» (ав. свид. 559013,939430).
Рассмотрена математическая модель процесса теплопереноса в бетоне при воздействии на него лучистой энергии и других климатических параметров окружающей среды. Предложено температуру в любой точке бетона определить дифференциальным уравнением Фурье с учетом тепловыделения бетона при граничных условиях I и II рода методом конечных разностей с блок-схемой алгоритма решения задачи.
В дневное время наиболее интенсивное развитие теплофизических процессов в поверхностном слое твердеющего бетона происходит в первые 1-6 часов. Температура нагрева бетона зависит от радиационных характеристик материала, принятого для защиты его поверхности и в первые сутки при выдерживании под полимерными пленками составляет 69-72С, пленкообразующей жидкостью 55С, саморазрушающейся пеной 33 С.
Теоретический расчет и экспериментальные исследования показали, что при двухслойном покрытии для горизонтальных поверхностей температура нагрева бетона на 1,5-3 С превышает температуру в нем при выдерживании под однослойным покрытием. Такая температура не оказывает существенного влия-
9 ния на кинетику роста прочности бетона. Однако число воздушных прослоек в гелиотехнической системе излучатель - бетонное тело - светопрозрачное покрытие оказывает влияние при знакопеременных температурах наружного воздуха и при температуре до -10 С наиболее эффективно двухслойное покрытие. Установлено, что в условиях радиационно-конвективного теплообмена при испарении и конденсации в замкнутом объеме в случае горизонтального положения бетонной конструкции оптимальная толщина воздушного слоя между теплоприемником и прозрачной пластиной 15 мм.
Проведены сравнительные исследования гелиокамер, имеющих принципиальные конструктивные отличия: гелиокамера типа теплицы; гелиокамера с герметически замкнутой оболочкой из металла и теплоизолированными стенками и днищем (авт. свид. 771070); гелиокамера с герметически замкнутой металлической емкостью; теплоизолированными стенками и днищем и светопрозрачной южной стороной; гелиокамера с двухслойным светопрозрачным покрытием крыши; гелиокамера типа теплицы с теплоизолированным основанием; гелиокамера с герметически замкнутой оболочной, теплоизолированными стенками и днищем и трехслойным светопрозрачным покрытием крыши; гелиокамера типа теплицы с герметически замкнутой металлической оболочкой, теплоизолированным основанием и однослойным покрытием крыши; гелиокамера типа теплицы с двухслойным покрытием, герметически замкнутой оболочкой и теплоизолированном основанием.
Экспериментально доказано, что для получения максимальной температуру необходимым условием в конструкции гелиокамеры должен быть тепловос-принимаемый материал. Для гелиоустановок с развитой вертикальной поверхностью рационально двухслойное светопрозрачное покрытие. Толщина однослойной воздушной прослойки должна составлять 7 мм, а между двумя светопрозрач-ными покрытиями - 15 мм. Использование аккумуляторов тепловой энергии (авт. свид. 757503, 937426, 998437) позволяет существенно замедлить процесс охлаждения устройства в ночное время. Величину угла разворота длинной стороной ге-
10 лиокамеры относительно юго-западной или юго-восточной ориентации целесообразно принимать 30 С.
Теплофизические процессы в гелиокамере проходят при вялотекучем характере их протекания в условиях свободного теплообмена внутри замкнутого объема. На стадии нагрева солнечной радиацией несколько активнее прогревается верхнее изделие. С проявлением реакции экзотермии в ночное время более высокая температура наблюдается в центральной и нижней плитах. Величина коэффициента заполнения гелиокамеры не влияет на характер распределения температуры в изделии, а сказывается на скорости остывания бетона в ночное время. Выравнивание на стадии нагрева температуры в бетоне по высоте пакета или в отдельном изделии может быть достигнуто за счет аккумулятора солнечной энергии, размещаемого в нижней, донной части гелиоустановки (авт. свид. 968017, 1020406).
Термовлажностный режим в гелиокамере характеризуется снижением влажности воздуха до 45% при подъеме температуры в течение четырех часов с последующим увеличением ее до 100% через шесть часов за счет испарения воды из бетона. Такой режим соответствует условиям тепловой обработки бетона в среде с переменной влажностью.
Определены оптические свойства в видимой и инфракрасной областях и степень черноты одно- и многослойных пленок различных классов полимеров, среди них прозрачные, армированные, с сажевым и титановым наполнителями, с функциональным защитным покрытием в виде напыления алюминиевого слоя.
С изменением угла падения лучистой энергии от 0 до 60 С прозрачность всех пленок уменьшается и для однослойных покрытий составляет: поливинил-хлоридная - 19%, полиэтиленовая - 20%, поливинилхлоридная парниковая - 15%, полиэтилентерефталатная - 20%), полиэтиленовая армированная - 20%, стеклопластик армированный - 20%. Для двухслойного покрытия снижение прозрачности для полиэтилентерефталата равно 9%, а для трехслойного - 18%). Изменение угла падения лучистой энергии от 0 до 60 при двухслойном и трехслойном ог-
раждении для пленки одного класса полимера на 30-39% снижает их прозрачность.
По температуре нагрева бетона произведена оценка наиболее представительных гелиотехнических устройств и систем для тепловой обработки его с использованием солнечной энергии: гелиокамера типа теплицы; гелиокамера с замкнутой металлической оболочкой и однослойным светопрозрачным ограждением; гелиокамера с теплоизолированными стенками и днищем, светопрозрачной однослойной крышей, замкнутой металлической оболочкой; переставная гелиокамера с аккумуляторами тепла; одноконтурная гравитационная система нагрева жидкого теплоносителя; одноконтурная система нагрева воды с принудительной циркуляцией ее через парафиновый аккумулятор; нагрев бетона в теплоизолированном устройстве типа плоского коллектора; одноконтурная система нагрева жидкого теплоносителя с плоским концентратором; устройство типа плоского коллектора с концентратором.
С энергетических соображений наиболее эффективны гелиокамеры с теп-ловоспринимаемой поверхностью и светопрозрачным покрытием, гравитационные системы с нагревом теплоносителя, а также плоские отражатели к гелиотехническим устройствам и системам.
Аккумулирование солнечной энергии в заполнителе целесообразно осуществлять в противоточном теплообменнике с циркуляцией горячего воздуха через него принудительно или гравитационно. Непременным условием приготовления бетонной смеси на предварительно нагретых солнечной энергией заполнителях и воде с температурой 50-60 С является введение в ее состав пластифицирующих или суперпластифицирующих химических добавок или комплексных на их основе.
Прочность бетона, приготовленного на предварительно нагретых солнечной энергией материалах, на 20-30%) выше, чем на неподогретых, что связано с понижением В/Ц, за счет частичного поглощения воды заполнителями, а также более глубокой гидратации цемента.
Разновидностью аккумулирования солнечной энергии в гелиотехнической системе излучатель - бетонное тело - светопрозрачное покрытие, в которой нагретое до максимальной температуры, что соответствует 17-18 ч дня, бетонное тело является аккумулятором тепла.
Под влиянием солнечной радиации и высокой температуры окружающей среды в условиях сухого жаркого климата основные физико-химические процессы в твердеющем бетона происходят в течение 1-3 суток, а в 5-7 суточном возрасте набор прочности достигает 100% R28 и более. При отсутствии ухода за бетоном прочность может составить 44-47% R28, а глубина недобора прочности достигает 30 см.
Набор прочности бетона при твердении одни сутки под покрытием из полимерной пленки в зависимости от В/Ц, расхода воды, химической добавки составляет 56-81% R.28, при обработке пленкообразующим составом - 52-72% R2g, в гелиокамере в течение 22 часов - 52-72% R2g.
Применение бетонных смесей, приготовленных на предварительно нагретых солнечной энергией заполнителе и воде, температурой укладки в опалубочную форму 50-60 С с последующим выдерживанием под однослойным покрытием, на аккумуляторе позволяет получить температуру нагрева 80-95 С и прочность при твердении бетона через 24 ч - 88% R2g, 23 ч - 80%, 21ч- 75%, 19 ч -72%, 17 ч- 70%, 15 ч- 63%, 13 ч- 60% R28.
Исследованиями кинетики роста прочности бетона, приготовленного на различных вяжущих, В/Ц, химических добавках, в зависимости от модуля открытой поверхности, условий последующего твердения, начальной температуры укладки бетонной смеси в опалубочную форму доказано, что величина критической прочности относительно влагопотерь может быть снижена с 50-70 до 30-50%) R28.
Установлено, что оптимальная температура тепловой обработки бетона, приготовленного на основе вяжущего низкой водопотребности, составляет 40-50 С, что позволяет тепловую обработку проводить только за счет солнечной энергии.
Оптимальное время завершения бетонирования при выдерживании бетона под покрытиями из полимерных пленок, гелиокамерах, инвентарных устройствах соответствует 9-10 ч; при пакетной технологии изготовления изделий - 16-18. При общей продолжительности тепловой обработки бетона 21-22 ч процесс рас-палубливания изделий приходится на 6-8 ч утра следующего дня.
Произведена проверка достоверности методов оценки долговечности бетона по трещиностойкости, термоморозостойкости, термостойкости и морозостойкости. Эти методы научно обоснованы, а результаты исследований по ним достоверны. Методы испытания бетона, предложенные ГОСТ 10060-87, являются рациональными и позволяют в короткие сроки оценивать его долговечность по морозостойкости.
Сравнительные испытания на морозостойкость бетона, прошедшего тепловую обработку в гелиокамере, под полимерной пленкой и камере нормального твердения показали, что они равнозначны и в гелиотехнических устройствах создается благоприятный температурно-влажностный режим для структурообразо-вания цементного камня.
Предложено определять экономическую эффективность использования солнечной энергии, рассматривая ее как самостоятельный или дополнительный энергоноситель. Энергетический эффект определяют разностью стоимости экономии топлива, получаемого за период эксплуатации гелиоустановки или системы и полными топливно-энергетическими затратами, необходимыми для их изготовления, монтажа и эксплуатации. Основным критерием энергетической эффективности выступает показатель стоимости конечного потребления тепла и экономии природных ресурсов.
Научная новизна:
теоретически и экспериментально обоснованы методы использования солнечной энергии в технологии бетонных работ;
разработаны эффективные методы прямого нагрева бетона с использованием солнечной энергии и дано их аналитическое обоснование;
предложена математическая модель процесса теплопереноса и алгоритм расчет температуры в бетоне в условиях нестационарности и прерывности поступления солнечной радиации при защите его поверхности материалами с различными радиационными характеристиками;
произведена энергетическая оценка наиболее представительных гелиотехнических устройств и систем для тепловой обработки бетона;
исследованы спектральные и интегральные коэффициенты пропускания, отражения, поглощения и степень черноты полимерных пленок. Изучено влияние угла падения лучистой энергии на спектральные характеристики пленок, а также влияние этих свойств на температуру нагрева бетона в гелиотехнических устройствах;
произведен расчет геометрических параметров отражателей лучистой энергии для различных гелиотехнических устройств;
предложено в качестве аккумулятора солнечной энергии использовать твердеющий бетон с формованием в 17-18 ч нового изделия и выдерживания их по пакетной технологии;
исследован процесс теплообмена и термовлажностный режим твердения бетона в замкнутом объеме гелиокамеры;
разработан метод аккумулирования солнечной энергии в энергоемких материалах и изучено влияние технологии приготовления бетонных смесей на предварительно нагретых заполнителях и воде на физико-механические свойства бетона;
исследовано влияние новых методов тепловой обработки на кинетику роста прочности бетона и оптимизирован режим его выдерживания с использованием солнечной энергии;
исследован температурный режим бетона при твердении его в различных гелиотехнических устройствах и системах;
исследовано влияние новой технологии тепловой обработки бетона и условий резко-континентального сухого жаркого климата на долговечность бетона.
Автор защищает:
методы использования солнечной энергии для ускорения твердения бетона, их теоретическую и экспериментальную обоснованность;
математическую модель процесса теплопереноса и алгоритм расчета температуры в бетоне в условиях нестационарности и прерывности поступления солнечной радиации при защите его поверхности материалами с различными радиационными характеристиками;
экспериментальные данные энергетической оценки наиболее представительных гелиотехнических устройств и систем для тепловой обработки бетона;
экспериментальные данные исследований радиационных характеристик полимерных пленок при различных углах падения лучистой энергии, данные исследований о влиянии их спектральных и интегральных свойств на температурный режим в гелиотехнических устройствах и бетоне;
результаты расчета геометрических параметров отражателей лучистой энергии для различных гелиотехнических устройств и систем;
результаты исследований теплообмена и термовлажностного режима твердения бетона в замкнутом объеме гелиокамеры;
метод аккумулирования солнечной энергии в заполнителе для приготовления предварительно нагретых бетонных смесей, а также в бетоне при пакетной технологии его выдерживания;
результаты исследований температурного режима бетона, твердеющего в различных гелиотехнических устройствах и системах;
данные исследований кинетики роста прочности, оптимальные режимы ускорения твердения бетона в различных гелиотехнических устройствах и системах и влияние новой технологии тепловой обработки его с использованием солнечной энергии на физико-механические свойства и долговечность цементного камня;
рекомендации по тепловой обработке легкого и тяжелого бетона в различных гелиотехнических устройствах с использованием солнечной энергии.
Результаты исследований подтверждены производственной проверкой и внедрением гелиотехнических устройств, систем и новой технологии тепловой
16 обработки бетона с использованием солнечной энергии в строительных организациях и предприятиях стройиндустрии на территории Российской Федерации, Казахстана, Узбекистана, Украины и использованы при разработке нормативных документов:
СНиП III-15-76. Бетонные и железобетонные конструкции монолитные.
СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции. М., 1988.
Свод Правил (СП-12) «Технология монолитного бетона и железобетона», М., 2002.
Руководство по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий. М, Стройиздат, 1979.
Рекомендации по уходу за свежеуложенным бетоном при строительстве аэродромного покрытия из высокопрочного бетона в условиях сухого жаркого климата. М., 1980.
Руководство по применению полимерных пленок для ухода за твердеющим бетоном в условиях сухого жаркого климата. М., Стройиздат, 1981.
Рекомендации по выдерживанию свежеуложенного бетона протяженных тонкостенных конструкций (облицовок оросительных каналов) в условиях сухого жаркого климата. М., 1982.
Временные рекомендации по использованию солнечной энергии для ускорения твердения бетона. М., 1983.
Временные рекомендации по уходу за горизонтальными и вертикальными бетонными и железобетонными монолитными, а также сборными изделиями с использованием «парникового эффекта». М., 1987.
Рекомендации по тепловой обработке легких и тяжелых бетонов с использованием солнечной энергии. М., Госстрой СССР, ЦНИИОМТП, 1987.
Разработанные методы использования солнечной энергии позволяют ежегодно на 40-50% снизить затраты энергии на изготовление сборных железобетонных изделий и интенсифицировать процесс возведения монолитных конструкций.
Реализация новой энергетической политики в рыночных условиях требует законодательного регулирования, в частности, формирование источников финан-
сирования для проведения исследований и проектирования гелиотехнических устройств и систем, представления налоговых льгот организациям, использующих солнечную энергию.
Потребление традиционных топливно-энергетических ресурсов на ускорение твердения бетона
В стройиндустрии для термообработки сборного бетона и железобетона применяются различные тепловые установки (табл. 1). Наиболее распространены ямные камеры и стенды. Доля выпуска продукции в этих агрегатах составляет 84%. Следует отметить, что около 60% общего количества ямных камер работает с одним оборотом и менее в течении 1 сут:
Получаемая тепловая энергия заводами по производству сборных бетонных и железобетонных изделий расходуется на технологические процессы (75%) и на вспомогательные цели (25%) - отопление, вентиляция, санитарно-гигиенические и общезаводские нужды (табл. 2).
Несмотря на высокое потребление энергии технологическими процессами, фактический расход ее на нагрев непосредственно бетона (табл. 3) составляет в зависимости от вида теплового агрегата от 12,7 до 20,6% (227). Остальная энергия непроизводительно расходуется на предприятии в виде различных теплопотерь в окружающую среду через боковые стены, крышу, пол устройства вместе с конденсатом и выходящим паром.
На нагрев и термосное выдерживание бетона вместе с формами по расчету требуется 209-230 тыс. кДж, а с учетом потерь теплоты в окружающую среду нормативный расход на тепловую обработку изделий в ямных камерах из тяжелого бетона равен 691-733 тыс. кДж/м3. Принимая во внимание потребления пара на отопление, вентиляцию, а также другие заводские и вспомогательные цели на производство 1 м3 сборного железобетона по расчету требуется в среднем 1110-1214 тыс. кДж. Практически на изготовление 1 м3 сборных железобетонных изде 21 Таблица 1 Оснащенность промышленности сборного железобетона тепловыми агрегатами и их технические показали Показатель Ямные камеры Стендовые установки Кассетные установки Конвейерные установки Тоннельные камеры Количествоагрегатов,шт. 48930 8078 4674 577 427 Соотношение между ними, % 78 12,9 7,5 0,9 0,7 Выпуск продукции, тыс. м3 72,989 6,72 8,287 5,347 1,57 Общий объем, % 76,9 7,1 8,7 5,6 1,7 Продолжительность тепловой обработки бетона, ч 20,9 23,1 22,1 19,8
Среднее число оборачиваемости тепловых агрегатов, сут. 1,15 1,04 1,08 1,22 Таблица 2 Распределение тепловой энергии на действующем заводе по производству сборных бетонных и железобетонных изделий Тепловой баланс Расход теплоты, тыс. кДж/м , на Тепловую обработку Подогрев заполнителей Подогрев эмульсола Отопление и вентиляция Общезаводские нужды Фактический 1369 70 693,5 29 1,5 254 13 234 12 Оптимальный 335 43,2 50 6,9 212,6 18824,2 180 23,1 Примечание: Над чертой приведены абсолютные показатели, под чертой - общее потребление, %. Таблица З Расход энергии в тепловых установках при термовлажностной обработке сборных бетонных и железобетонных изделий Расход теплоты Расход тепловой энергии, %, при использовании Стальных форм под колпаком Стальных термоформ на стендах Стендов с изделиями, укладываемыми без форм Напольных камер Нагрев бетона 15,3 12,7 20,6 15,8 Нагрев форм, оснастки, арматуры и закладных деталей 13,4 15,5 2,8 12,8 Потери через боковые поверхности тепловых устройств 22,3 25 13,4 18,2 Потери через верхнюю поверхность 18,4 16,2 31,5 15,4 Потери из-под покрытий — — — — Потери с выходящим паром при вытеснении воздуха 1,8 2,6 3,8 Потери в пол 2,6 3,4 10,7 8,7 Потери с конденсатом 23,4 22,6 — 24,5 Прочие потери 2,8 2,0 5,7 1,4 Примечание: 1. - Тепловая обработка производится с применением высокотемпературного масла. 2. Получаемая теплота с учетом потерь в сетях равна 100%. Таблица 4 Затраты энергоресурсов при тепловом воздействии на бетон в монолитных конструкциях в зимнее время Способ зимнего бетонирования Затраты топливно-энергетических ресурсов на 1 м5 бетона, кг усл. топлива на строительстве в промышленности и на производстве дополнительных материалов суммарные Бетоны с противомо-розными добавками 1,9 23 24,9 Термос 4 9 13 Предварительный электроразогрев бетонной смеси 14,3 9 23,3 Электроподогрев бетона 19,9 15,5 35,4 Обогрев бетона в греющей опалубке 19,9 9Д 29 Индуктивный нагрев бетона 23,8 9 32,8 Инфракрасный обогрев бетона 31,4 9 40,4 Без энергоресурсов на производство соответственно индуктора и генератора инфракрасного излучения. лий расходуется 1955-1968 тыс. кДж (107), причем для всех агрегатов эксплуатационные расходы энергии при тепловой обработке бетона превышают нормативные.
Основные затраты энергоресурсов в области возведения монолитных бетонных конструкций связаны с тепловым воздействием на бетон при отрицательных температурах в зимний период года. При положительных температурах наружного воздуха процесс твердения осуществляется главным образом под влиянием окружающей теплоты.
На ускорение твердения бетона монолитных конструкций, связанного с интенсификацией воздействия инженерных сооружений и предотвращения влияния высоких положительных и отрицательных температур на формирование его структуры, в зависимости от метода ускорения твердения расходуется от 13 до 40,4 кг условного топлива, или 91-283 тыс. кДж на 1 м бетона (табл. 4). По суммарным энергозатратам наименее энергоемкий метод термоса предварительный электроразогрев бетонной смеси (47).
Около 90% общего объема сборных конструкций подвергается обработке паром в тепловых установках и только 10% - с применением электроэнергии. На получение пара, а в отдельных случаях и электроэнергии, расходуются невосполнимые природные источники энергии в виде нефти, газа, угля, сланцев и т.д. С учетом возрастающей роли этих природных ископаемых как сырья химической промышленности и увеличения их стоимости на ближайшую перспективу, тепло-влажностную обработку в паросиловых установках в пределах существующего потребления теплоносителя следует признать нерациональной и расточительной в энергетическом отношении.
Действующие нормативные документы предусматривают для всей территории страны одинаковый в течение года расход энергоресурсов на термовлажностную обработку бетонных и железобетонных изделий. Это привело к тому, что фактические расходы тепловой энергии на производство сборного железобетона в южных районах практически не отличается от расходов (108) на предприятиях, расположенных в районах с умеренным холодным климатом. 1.3. Особенности твердения бетона и экстремальных условий сухого жаркого климата
Районы с благоприятными условиями использованиями солнечной энергии расположены преимущественно в регионах с признаками условий сухого жаркого климата, для которого характерно продолжительное знойное лето, высокая температура воздуха - абсолютной максимальной, равной или превышающей + 40 С и средней максимальной самого жаркого месяца, равной или превышающей 20-30 С при средней относительной влажности воздуха самого жаркого месяца менее 50-55% (188).
В этих местностях, кроме использования солнечной энергии для ускорения твердения бетона, существуют также технологические и материаловедческие проблемы. Специфические условия сухого жаркого климата в первую очередь сказываются на физико-химических процессах, происходящих в бетоне, а также на его долговечности.
Преобразование солнечной энергии в тепловую в низко-потенциальных энергетических установках
Более сложен процесс взаимодействия электромагнитного излучения с реальными материальными телами. Всякое излучение связано с переносом энергии от излучающего тела к поглощаемому, с потерей энергии излучающим телом. При излучении потенциальная энергия излучателя уменьшается, понижается также его температура. Расход энергии на излучение должен компенсироваться поступлением ее извне.
Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры тела. С ее повышением возрастает энергия поступательного, колебательного и вращательного движения частиц. Колебания ядер молекул твердого тела создают инфракрасное коротковолновое и длинноволновое излучение. Видимое и ультразвуковое излучение, получающееся в результате электромагнитного возбуждения молекул и атомов, может возникнуть при больших значениях кинетической энергии движущихся частиц и связано с очень высокой температурой излучающего тела. В результате повышения температуры излучающего тела поток излучения увеличивается и изменяется его спектральный состав.
При термодинамическом равновесии все частицы системы тел имеют одну температуру и энергия теплового излучения, испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощения этим телом. В этом случае тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом и, согласно закону Кир-гофа, поглощательная способность поверхности численно равна ее степени черноты: ах - єх.
Солнечная радиация, падающая на поверхность теплоприемника, поглощается им. Количество поглощенной энергии определяется состоянием поверхности, свойствами материала, из которого изготовлен теплоприемник. В табл. 8 приведены значения степени черноты различных материалов.
На температуру нагрева теплоприемника существенное влияние оказывает наличие защитного покрытия на его поверхности. В табл. 9 приведены данные экспериментальных исследований кинетики температуры нагрева солнечной радиацией алюминиевые пластины толщиной 5 мм, окрашенный в черно-матовый цвет. Максимальная температура нагрева получена на пластине, имеющий свето-прозрачное ограждение из полиэтилентерефталатной пленки с образованием между ними воздушного зазора 5 мм. По данным (7, 66, 68, 230) толщина воздушного зазора между поглощающей и светопрозрачной пластинами колеблется от 20 до 30 мм.
Таким образом, на температуру нагрева теплоприемника в преобразователях солнечной энергии существенное значение имеет теплоемкость материала, из которого выполнен теплоприемник, количество поступившей теплоты на тепло-воспринимаемую поверхность, теплопотери в окружающую среды. Для снижения теплопотерь важную роль выполняет светопрозрачное ограждение над тепловос-принимающей поверхностью и воздушный зазор между ними. По результатам ряда исследователей (8,22) оптимальная величина воздушного зазора равна 20 мм.
Преобразование солнечной энергии в тепловую осуществляется в коллекторах, воздухонагревателях, гелиокамерах с замкнутой металлической оболочкой, установках типа «горячего ящика» с получением в качестве теплоносителя для термовлажностной обработки бетона горячего воздуха и различных жидкостей, в
Солнечная радиация - нестационарный вид энергии и ее поступление на поверхность Земли носит периодический характер, а процесс изготовления сборных железобетонных изделий осуществляется в условиях непрерывного расхода теплоты. Противоречия, заложенные в процессах несовпадения по времени прихода солнечной радиации с практическим приложением энергии для тепловой обработки бетона разрешается путем аккумулирования ее в различных энергоемких материалах.
Теплоаккумулирующие материалы и вещества выбирают по тепловому, механическому, химическому, экономическому критериям. К тепловому относятся высокие удельная теплоемкость и скрытая теплота плавления, теплопроводность в жидкой и твердой фазе. Материалы, применяемые для аккумуляции, должны быть эффективны в диапазоне рабочих температур, характерных для тепловой обработки бетона только за счет солнечной радиации или в комбинации с другими видами энергии, и за короткое время способны накапливать тепловую энергию в фазе аккумулирования и легко превращать ее в период применения.
В качестве механического критерия рассматривается низкая вязкость в жидкой фазе вещества, надежная прочность твердых теплоаккумулирующих веществ при их циклическом нагреве и охлаждении. Они должны отвечать требованиям пожарной безопасности и промышленной санитарии. Под химическим критерием имеется в виду коррозионная стойкость вещества, а также стабильность их состава не изменять теплофизических характеристик при фазовых переходах.
К экономическим следует отнести минимальную стоимость теплоаккумулирующих материалов и доступность их приобретения. Стоимость аккумулирования не должна превышать экономию топливно-энергетических ресурсов и сказываться на увеличении себестоимости единицы продукции, производимой предприятием.
Различают суточное, кратковременное и сезонные виды аккумулирования. Кратковременное аккумулирование энергии необходимо на период облачности в течение 3-5 часов для того, чтобы избежать перепада температуры в бетоне и ист ключить охлаждение тепловых агрегатов. Суточная аккумуляция связана с накоплением теплоты в течение солнечного сияния и покрытия расхода на термообработку бетона в остальную часть времени с целью предотвращения снижения ритма работы предприятия. Сезонное аккумулирование осуществляется на период длительной неблагоприятной погоды.
В качестве основных гелиоприемников для аккумулирования солнечной энергии применяются коллектора для нагрева воздуха и жидкостей. Рекомендации (60) по проектированию жидких, воздушных систем применительно к гелиотехническим системам для тепловой обработки бетона приведены в табл. 10, 11.
Широкое распространение получила вода, как наиболее доступный, дешевый и удобный аккумулятор с удельной теплоемкостью 4,19 кДж (кг.град), а также 50% раствор этиленгликоля в воде.
В работе (54) рассмотрена возможность использования тепловых аккумуляторов (табл. 12) органического и неорганического происхождения в схемах с параболоцилиндрическим концентратом.
Тепловые аккумуляторы солнечной энергии сравнивали по массовым характеристикам для случая разрядки аккумуляторов в течение 8 часов и двух температурных напоров в 10 и 50 С. При At=10 С масса теплоемкостного аккумулятора получается значительной: для гравия 39, воды 7, кристаллогидрата 1 т. При At=50 С масса «совмещенного» аккумулятора равна 0,6 т, что примерно для кристаллогидрата на 20%, а для высокоплавкого парафина на 40% меньше массы при работе только в изотермических условиях. Такой аккумулятор компактнее водяного теплоемкостного.
Исследование оптических свойств полимерных пленок
Основная часть солнечной радиации, определяющая тепловой режим гелиотехнических систем и устройств лежим в видимой (0,38-0,78 мкм) и инфракрасной (0,78-3,0 мкм) областях. Материал ограждения гелиотехнических систем и устройств должен обладать способностью пропускать лучистую энергию в этих областях спектра. В гелиотехнике широкое распространение получили светопро-зрачные ограждение преимущественно из силикатного стекла или изделий из него.
С учетом физико-технических характеристик при изготовлении бетонных изделий и укрытий монолитных бетонных конструкций практический интерес представляют полимерные пленки, обладающие эластичностью, малым весом по отношению к площади ограждения, прозрачностью в видимой и инфракрасной областях и способностью задерживать длинноволновое излучение, воспринимающие динамическое воздействие при перемещении грузоподъемными механизмами гелиоустройств. Для выбора типов полимерных пленок с целью применения в гелиотехнологии нами проведены исследования по определению спектральных характеристик различных пленок, изучено влияние количества слоев ограждения, а также угла падения солнечной радиации на их оптические свойства.
В естественных условиях лучистая энергия окружающего пространства меняется в зависимости от времени года и физического состояния окружающей среды, претерпевая значительные изменения по мере прохождения атмосферы. Влияние реальных радиационных характеристик светопрозрачного ограждения на термовлажностный режим в гелиотехнических устройствах и бетоне можно получить только в условиях проведения эксперимента при действии постоянных теп-лофизических параметров излучающей системы. Радиационный поток солнечной энергии в спектральном диапазоне 0,38-3,0 мкм имитируют электрические лампы, спираль накаливания которых составляет 2200 С. Длины волн, мк
Спектрограмма коэффициента отражения полимерных пленок 1 -полиэтиленовая неокрашенная; 2 - полиэтиленовая с титановым наполнителем; 3 - полиэтиленовая с сажевым наполнителем; 4 - полиамидная ПК-4; 5 -поливинилхлоридная марки В; 6 - полиэтилентерефталатная прозрачная; 7 -полиэтилентерефталатная металлизированная типа ПТЭФ-ОА.
Количество энергии, приходящей на горизонтальную поверхность можно найти, рассмотрев систему излучатель - оптическая среда - теплоприемник. Наличие в рассматриваемой системе полимерной пленки (оптическая среда), обладающей селективным пропусканием, требует изучения спектрального распределения инфракрасного излучателя. Распределение энергии абсолютного черного тела для инфракрасного излучателя при Т=2200 С представлено таблицей 16а, которая получена при расчетном наложении спектрального коэффициента пропускания кварцевой колбы на распределение энергии абсолютного черного тела с использованием таблицы 1-2 Э.М. Спэрроу (208).
В основе лабораторных исследований оптических свойств полимерных пленок приняты спектральные измерения коэффициентов пропускания и отражения. Измерение спектральных коэффициентов проводили на спектрофотомерах и приставках к ним. Необходимость использования в исследованиях приборов вызвана ограниченностью их спектральных диапазонов вследствие спектральных различий источников излучения, чувствительности приемников и монохромато-ров. В результате лабораторных исследований были получены спектрограммы (рис. 27, 28), которые показывают спектральные изменения оптических коэффициентов различных полимерных пленок в видимой и инфракрасной областях.
Полученные интегральные коэффициенты пропускания, отражения и поглощения полимерных пленок позволяют определить количество лучистой энергии, поступающей на поверхность теплоприемника.
Результаты экспериментальных исследований, представленные в таблице 17, свидетельствуют, что в видимой области спектра бесцветные полимерные пленки прозрачны на 72-95%, а в ближней инфракрасной - 14-89%. Введение в состав пленкообразующего полимера пигментирующих веществ значительно изменяют прозрачность пленок. Полиэтиленовая пленка с сажевым наполнителем в видимой и инфракрасной областях спектра непрозрачна, но коэффициент поглощения составляет 94-96%. Полиэтиленовая пленка с титановым наполнителем прозрачна на 80% в видимой и на 55% в инфракрасной областях.
Определенный интерес представляют оптические свойства полиэтиленте-рефталатной металлизированной пленки, имеющей на поверхности функциональное защитное напыление алюминия слоем 0,02-0,05 мкм.
Коэффициент пропускания металлизированной пленки в видимой и инфракрасной областях равен нулю. В то же время пленка отражает 80-85% лучистой энергии и обладает способностью поглощать ее 15-20%. Также пленки целесообразно использовать в отражателях для увеличения плотности потока лучистой энергии.
Твердение бетона с открытой поверхностью при прямом нагреве его солнечной энергией
В южных районах страны, особенно в местностях с условиями резкоконтинентального сухого жаркого климата под влиянием солнечной радиации и высокой температуры наружного воздуха в начальный период твердения бетона одновременно ускоряются процессы структурообразования и развития деструкции, влияющие на физико-механические свойства и долговечность бетонных и железобетонных конструкций. Интенсификация физико-химических процессов в твердеющем бетоне под влиянием погодных условий - гидратации цемента, мас-собмена бетона с окружающим пространством, деформации усадки цементного камня, пластической усадки - в ряде случаев негативно влияет на структуру бетона.
Была проверена возможность получения заданных физико-механических свойств бетона, твердеющего с незащищенной поверхностью в условиях свободной массоотдачи в окружающую среду при прямом нагреве его солнечной радиацией. На рис. 48 показана кинетика роста прочности бетона, твердеющего без ухода, т.е. с открытой поверхностью.
В 7 суточном возрасте прочность бетона белгородского (В/Ц=0,51, расход воды 180 л/м3) ПЦ соответственно составляет 83,87% R.28 при твердении в воздушно-сухих условиях. Непрерывность роста прочности до 7 суточного возраста свидетельствует о достаточном присутствии влаги в бетоне для гидратации цемента. Прекращение гидратации цемента вследствие интенсивных влагопотерь приостанавливает рост прочности на определенной стадии формирования структуры бетона.
При твердении бетона на Воскресенском ГЩ (В/Ц=0,51, расход воды 215 л/м ) без ухода в условиях резко-континентального сухого жаркого климата, характеризующегося в дневное время высокой температурой наружного воздуха и охлаждением в ночное время в интервале температур от 0 до +10 С к семисуточ-ному возрасту скорость набора прочности уменьшается почти в 2 раза. Следует заметить, что твердение бетона без ухода в условиях резко-континентального климата также происходит при значительном недоборе прочности, но рост прочности возрастает медленно во все сроки испытания и в 28 суточном возрасте составляет 53% R.28.
Определенный интерес представляет изучение степени проникновения климатических воздействий сухого жаркого климата по глубине бетона, т.е. исследование послойного изменения набора прочности в зависимости от массивности монолитной конструкции.
В поверхностном слое, воспринимающем воздействие окружающей среды, происходят наиболее важные физические процессы, определяющие в последующем структурно-механические характеристики бетона. Результаты исследований послойного изменения набора прочности в зависимости от массивности бетонной конструкции (рис. 49) свидетельствуют об определенной закономерности изменения прочности бетона по глубине конструкции.
При постоянном водоцементном отношении, но при различном начальном водосодержании увеличивается зона проникновения деструктивных процессов в бетоне. Так для бетона на белгородском ПЦ при В/Ц=0,68, но при расходе воды 140, 180, 210 л/м3 прочность составляет соответственно: первый слой - 91, 78, 74% R28, второй - 105, 86, 82% R28, третий - 106, 100, 94% R28. Нижележащие слои превышают проектную прочность. С понижением В/Ц, но при постоянном начальном водосодержании В/Ц=0,51; 0,41, расход воды 180 л/м для бетонов одного цемента зоны недобора прочности уменьшается до 6%.
Бетоны на Воскресенском и злолбуновском ПЦ с различным В/Ц, и начальном водосодержанием также имеют в поверхностном слое недобор прочности. За пределами зон деструктивных процессов в 28 суточном возрасте бетона приобретает прочность, во многих случаях превышающую марочную. При введении в бетон ускорителя твердения (ХК) недобор прочности установлен на глубине 10 см при В/Ц 0,51-0,68.
В случае твердения без ухода бетона, уложенного в форму размером 10x10x52 (h) предварительно разогретого до температуры 55 С, недобора прочности по сечению образца не обнаружено. В том же эксперименте одновременно изготавливались образцы размером ребра 10 см. (Мот.п.=60 м"1). В 28 суточном возрасте прочность бетона образцов размером 10x10x10 см составила 45-46% R.28 Таким образом, на изменение послойной прочности влияют различные факторы, например, В/Ц, вид цемента, начальная температура бетонной смеси и другие, но наиболее очевидными из них является начальное водосодержание бетонной смеси.
В массивных монолитных конструкциях при отсутствии ухода за бетоном деструктивным процессам будут подвержены в первую очередь поверхностные слои, а степень проникновения воздействия сухого жаркого климата определяется температурой, начальным водосодрежанием бетонной смеси, В/Ц, активностью цемента, температурой и влажностью воздуха.
Негативному влиянию климатических условий менее подвержены бетоны с низким В/Ц и малым водосодержанием, приготовленных на быстротвердеющих высокоактивных цементах.
Существенное влияние на недобор прочности оказывает модуль открытой поверхности (Мот.п.) бетона; при общей закономерности недобора бетоном прочности, рост ее при этом носит линейный характер. По мере уменьшения модуля открытой поверхности недобор прочности бетона (рис. 50) снижается.
