Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Анализ тепло- массообменных процессов, происходящих в твердеющем керамзитобетоне при применении технологии с использованием нормальных условий выдерживания, электропрогрева и электроразогрева 8
1.2. Анализ тепло- массообменных процессов, происходящих в твердеющем керамзитобетоне при применении традиционной технологии горячего керамзита и раздельной технологии 28
1.3. Цель и задачи исследования 40
Глава 2. Разработка методики и аппаратуры для экспериментальных исследований тепло- массообменных процессов в керамзитобетонной смеси 42
2.1. Материалы, используемые при исследовании физических параметров керамзитобетонной смеси 42
2.2. Анализ методов контроля процессов тепло- массопереноса в керамзитобетонной смеси 43
2.3. Разработка системы контроля теплового поля в керамзитобетонной смеси 44
2.4. Разработка методики и устройства контроля электрофизических параметров керамзитобетонной смеси 48
2.5. Разработка регулятора теплового режима керамзитобетонной смеси 51
2.6. Выводы по главе 54
Глава 3. Математическое моделирование процессов тепло- массопереноса в керамзитобетонной смеси 55
3.1. Анализ математических моделей, используемых для описания
процессов тепло-массопереноса в твердеющем керамзитобетоне 55
3.2. Математическая модель процессов тепло-массопереноса в керамзитобетонной смеси61
3.3. Выводы по главе 90
Глава 4. Исследование параметров керамзитобетонной смеси при различных технологиях ее приготовления 91
4.1. Исследование температурного поля керамзитобетонной смеси на основе результатов эксперимента, полученных в нормальных условиях выдерживания 91
4.2. Исследование кинетики температурного поля керамзитобетонной смеси на основе результатов эксперимента, полученных при применении технологии электропрогрева 99
4.3. Проверка адекватности математической модели экспериментальным данным 104
4.4. Выводы по главе 116
Глава 5. Разработка методов изменения температурного режима твердеющего массива с целью обеспечения его трещиностойкости на всех этапах твердения 118
5.1. Общие аспекты изменения трещиностойкости как характеристики объёмно-напряженного состояния твердеющего бетона в зависимости от его температурного режима118
5.2. Математическая постановка задачи расчета трещиностойкости твердеющего бетонного массива 120
5.3 Вычислительный эксперимент 125
5.4. Выводы по главе 150
Общие выводы 151
Использованные источники 153
- Анализ тепло- массообменных процессов, происходящих в твердеющем керамзитобетоне при применении традиционной технологии горячего керамзита и раздельной технологии
- Анализ методов контроля процессов тепло- массопереноса в керамзитобетонной смеси
- Математическая модель процессов тепло-массопереноса в керамзитобетонной смеси61
- Исследование кинетики температурного поля керамзитобетонной смеси на основе результатов эксперимента, полученных при применении технологии электропрогрева
Введение к работе
В последние годы в России наблюдается существенное увеличение объемов строительства, в том числе и в зимних условиях, что продиктовано сложившимися рыночными условиями. Одной из важнейших составляющих строительного процесса является создание железобетонных конструкций на строительной площадке. При этом качество построек в значительной степени зависит от условий, технологий выполнения работ и материалов, и в частности физико-механических параметров бетона. Последние определяются физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при его схватывании. Как показывают практика работ и ряд исследований, тепло-массообменные процессы в твердеющем бетоне оказывают существенное влияние на его показатели назначения, являясь одним из важнейших факторов в технологии зимнего бетонирования. Вместе с тем эти процессы наименее изучены, а учет их влияния на твердение бетона определяется в основном дискретными эмпирическими данными, порой противоречивыми. Развитие компьютерных технологий дает возможность качественного математического моделирования процессов тепло- массопереноса, что позволит точнее определить характер процессов и на этой основе совершенствовать существующие и разрабатывать новые технологии бетонных работ. В связи с этим исследование влияния тепло- массо обменных процессов, разработка критериев их оптимизации и проведение эксперимента по выявлению физико-механических параметров бетонов с использованием методов математического моделирования является актуальным и перспективным.
Научная новизна работы: - построена математическая модель теплового поля бетонной смеси, отличающаяся от существующих учетом вероятностного характера распределения в смеси крупного заполнителя и характера кинетики тепловыделения;
- разработана модель кинетики тепловыделения в бетонной смеси, отличающаяся от известных учетом фактора много стадийности процесса тепловыделения;
- предложена методика расчета и прогнозирования объемно термонапряженного состояния твердеющего массива при производстве технологических процессов в зимних условиях.
Практическое значение работы:
- Разработана и реализована экспериментальная информационно-регистрирующая система для исследования теплового поля, обеспечивающая многоканальную регистрацию параметров твердеющего бетона и стенд для электропрогрева бетонной смеси по заданной программе.
- В результате апробации разработанной модели по экспериментальным данным показана возможность моделирования тепловых процессах при различных режимах тепловой обработки бетона с более высокой точностью, чем это возможно в случае применения традиционных средств и методик, что обусловлено заложенными в модель качественными методологическими отличиями, позволяющими расширить область ее применения.
- Создана модель, устанавливающая зависимость между тепловым режимом и объемно-напряженным состоянием конструкции, дающая возможность проводить выбор оптимального режима тепловой обработки бетонной смеси в зависимости от ее состава, температурных условий производства работ на строительной площадке и принятой технологии бетонирования.
Автор защищает:
- математические модели кинетики тепловыделения и теплового поля бетонных смесей, способствующие совершенствованию технологий при производстве монолитных работ в зимних условиях;
- результаты комплексных исследований характеристик процессов твердения бетона в зависимости от его состава и режима тепловой обработки; - методику расчета и прогнозирования термонапряженного состояния бетона в зависимости от теплового режима конструкции.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» в Ростовском государственном строительном университете (2002-2004 гг.), конференциях «Проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Волгоград, 2003), конференциях «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (2002, 2004) и республиканской научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, 2002).
Работа выполнялась в рамках госбюджетного гранта программы Архитектура и строительные науки «Создание новых низкоэнергозатратных технологических процессов при производстве железобетонных работ», Т02- j. 12.4-1357.
По итогам конкурса грантов Российской академии архитектуры и строительных наук в 2003 г. автором получен грант на тему «Совершенствование технологии тепловой обработки бетонов в зимних условиях за счет оптимизации тепло- массообменных процессов».
Публикации. Основные результаты отражены в девяти публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и библиографии. Содержит 165 страниц, 64 рисунка, 12 таблиц, 131 литературный источник.
Анализ тепло- массообменных процессов, происходящих в твердеющем керамзитобетоне при применении традиционной технологии горячего керамзита и раздельной технологии
Традиционная технология приготовления керамзито бетонных смесей с применением горячего керамзита состоит в смешивании остывающего керамзита с температурой до 300С с растворной частью бетона. Ускорение твердения по этому методу достигается за счет отдачи тепла, аккумулированного керамзитом при обжиге, и тепла, выделяющегося при гидратации цемента [7,119].
Основными факторами взаимодействии горячего керамзита с цемент-но-песчаной матрицей могут стать пористая структура керамзита и его температура. Объем замкнутых пор в керамзите колеблется в пределах 85 — 95% от общего объема пор. Горячий воздух, защемленный в капиллярах пористых заполнителей, объем, строение и размер капилляров дают возможность рассматривать зерна заполнителей как микроаккумуляторы теплоты, равномерно распределенные в теле бетона [127]. При взаимодействии с растворной составляющей керамзит претерпевает изменения своей структуры, которые заключаются в образовании на его поверхности трещин. Это связано с термическим ударом, который он претерпевает в начальный момент приготовления горячей бетонной смеси, при перемешивании с растворной составляющей. Горячий пористый заполнитель имеет более трещиноватую поверхность, чем холодный заполнитель. Клиновидные трещины глубиной до 0.5 - 1 мм, заполнены цементной матрицей, что приводит к повышению прочности сцепления заполнителя с растворной составляющей [119, 127, 77].
При введении горячего керамзита в приготовляемую смесь происходит ее быстрый разогрев за промежуток времени, более короткий в сравнении со временем предварительного электроразогрева бетонной смеси. В этом случае такой режим разогрева, производимый до появления в бетоне макси мального экзотермического эффекта, и последующий отвод тепла при термосном выдерживании наиболее полно сочетает закономерности термодинамики и кинетики структурообразования цементного камня [119, 48]. Это подтверждается тем, что средняя микротвердость цементного камня в контактной зоне в случае технологии горячего керамзита в 1,5 раза выше, чем в случае применения электроразогрева.
Проанализируем эффективность применения технологии горячего керамзита по сравнению с существующими технологиями тепловой обработки. Очевидно, наиболее информативными параметрами в этом случае будут состояние межзернового пространства и контактной зоны, одним из факторов которого является микротвердость. Выбор таких параметров не случаен и обусловлен тем, что качество сцепления керамзита с растворной составляющей отмечается многими авторами как один из важнейших факторов, влияющих на прочность керамзитобетона. Результаты измерений [77] представлены на рис. Рис. 1.10. Средние значения микротвердости цементного камня между зернами керамзита при различных способах ускоренного твердения : 1-нормальные условия твердения; 2-паропрогрев; 3-предварительный электроразогрев; 4-горячий керамзит; 5- раздельная технология
Рис. 1.11. Микротвердость цементного камня в контактной зоне керамзитобетона при различных способах ускоренного твердения : 1-нормальные условия твердения; 2-паропрогрев; 3-предварительный электроразогрев; 4- горячий керамзит; 5- раздельная технология.
Явное различие графиков микротвердости, изображенных на рис. 1.10 и 1.11, указывает на то, что тепло- массообменные процессы в межзерновом пространстве и контактной зоне носят существенно разный характер. Это связано с тем, что размеры контактной зоны гораздо меньше размеров межзернового пространства.
Также из рис. 1.10 видно, что в межзерновом пространстве микротвердость цементного камня претерпевает больший спад, чем в случае технологии электроразогрева. Это может быть обусловлено повышенным отсосом воды из него, что, с другой стороны, способствует лучшему формированию контактной зоны, чем объясняется то, что ближе к границам зерен микротвердость существенно повышается.
Существенное повышение микротвердости в контактной зоне в случае применения горячего керамзита можно объяснить тем, что в результате тер мического удара и кратковременного теплового воздействия в результате образования микротрещин на поверхности керамзита происходит как большее сцепление контактной зоны с ним, так и увеличение ее размеров. Но в то же время на характер распределения микротвердости оказывает существенное влияние градиент температуры со стороны остывающих зерен керамзита, что дает крайне неравномерное распределение микротвердости по длине контактной зоны по сравнению с существующими технологиями. Исходя из этого, а также принимая во внимание существенный вклад давления, создаваемого горячим воздухом в порах керамзита, можно говорить о том, что ввиду высокой температуры и градиента давления, обусловленного эффектом са-мовакуумирования и термоударом, процессы тепло- массопереноса в керамзитобетонний смеси будут носить в течение длительного времени термо- ба-родиффузионный характер. Концентрационная диффузия и эффекты, связанные с ней, будут проявляться слабо, что связано с большим отбором влаги зернами керамзита, чем в случаях остальных технологий.
Сущность технологии раздельного бетонирования заключается в том, что уложенный в утепленную форму горячий керамзит, после остывания до температуры 90 - 95С, инъецируется цементно-песчаным раствором, далее отформованная горячая бетонная смесь твердеет по методу термоса.
Сравнительный анализ прочностных показателей керамзитобетона на горячем и холодном заполнителях показывает, что у первого они значительно выше [7, 119]. Это результат существенных отличий в характере тешго-массообменных процессов, происходящих в керамзитобетоне на горячем и холодном заполнителях, как на стадии приготовления [7, 27, 77], так и на стадии его твердения , как представлено на рис. 1.12.
До инъецирования происходит теплообмен между зернами керамзита и окружающей средой. После инъецирования между зернами керамзита и растворной составляющей начинается интенсивный тепло- массо обмен, который на начальной стадии определяет дальнейший характер твердения ке рамзитобетонной смеси и зависит от многих факторов. Так, в [6, 127] в качестве фактора, играющего основную роль в характере и качестве твердения керамзитобетона, указывается температура керамзитовых зерен.
С момента приготовления керамзитобетонной смеси, остывающие зерна керамзита непрерывно, но с убывающей интенсивностью отбирают воду из растворной части бетона, одновременно разогревая ее вследствие теплоотдачи. Этот процесс создает в массиве керамзитобетона отрицательное давление, препятствующее миграции несвязанной влаги, и практически исключает создание в его структуре направленной капиллярной пористости, характерной для традиционных способов тепловой обработки бетона [77].
В горячем заполнителе объем воздуха меньше, чем в холодном. Ввиду этого, а также большой разницы между температурой керамзита и раствор
Анализ методов контроля процессов тепло- массопереноса в керамзитобетонной смеси
Классическим методом измерения температуры в бетонных смесях является прямой метод на основе ртутного термометра [49]. Применение ртутных термометров обеспечивает абсолютную погрешность измерения порядка 0,1 С, однако при этом производится измерение средней температуры среды, окружающей чувствительный элемент термометра, с большой постоянной тепловой инерции. В эксплуатации термометры требуют бережного обращения вследствие хрупкости и применяются в основном при лабораторных исследованиях. Контроль динамических тепловых полей с помощью ртутных термометров затруднен вследствие как их инерционности, так и сложности быстрого съема показаний. Для контроля процессов теплового выделения в керамзитобетонных смесях наиболее широко используются преобразователи температуры на основе термопар. В качестве регистрирующей аппаратуры используют самопишущие приборы и мосты [55]. Недостатками существующей аппаратурной базы являются сложность проведения многоканальных измерений, относительно невысокая точность регистрации, влияющая на точность построения модели теплопереноса в керамзитобетонной смеси и невозможность, в ряде случаев, ввода информации в компьютер для накопления и дальнейшей обработки.
Проведенный анализ говорит о необходимости разработки многоканальной системы измерения теплового поля. Для проведения многоканальных измерений параметров процессов теплопереноса в керамзито бетонных смесях необходима разработка измерительно-регистрирующей системы, позволяющей производить измерение и регистрацию температуры в заданных точках смеси, погрешность регистрации должна быть не больше 0,3 С, постоянная тепловой инерции первичных термопреобразователей не должна превышать единиц секунд для уменьшения динамической погрешности регистрации температурных полей. Для проведения исследований тепловых процессов в бетонной смеси при электропрогреве система должна обеспечивать гальваническое разделение измерительных цепей между собой и интерфейсным блоком, через который осуществляется связь с компьютером.
Для проведения исследований тепловыделения керамзито бетонных смесей была разработана и изготовлена информационно-регистрирующая система, функциональная схема которой приведена на рис. 2.1.
Информационно-регистрирующая система включает в себя первичные термопреобразователи 1-8, подключенные к входам нормирующих измерительных преобразователей 14-21 блока нормирующих измерительных преобразователей 9, блок преобразования цифровой информации 10, блок питания 11, сетевой фильтр 12 и персональный компьютер 13. Выходы нормирующих измерительных преобразователей подключены к входам мультиплексора 22 блока преобразования цифровой информации 10.
Входы управления измерительных преобразователей 14-21 и мультиплексора 22 подключены к соответствующим выходам блока управления 25, который также формирует управляющие команды и для преобразователя «интервал времени - код» 23 и передатчика интерфейса RS-232C 24. Блок питания (БП) 11 обеспечивает питание блока 10 стабилизированным напряжением +5В и, с помощью встроенного генератора синусоидального напряжения с частотой 2 кГц, обеспечивает питание гальванически развязанных нормирующих измерительных преобразователей 14 - 21. Блок питания 11 подключается к сети переменного тока 220В, 50 Гц через сетевой фильтр 12 и элементы защиты на основе плавких вставок. Выходное напряжение БП 11 7В используется в блоке управления 25 для формирования измерительных интервалов блока 9, равных периоду сетевого напряжения -220В, и для син хронизации опорной частоты, используемой при измерении временных интервалов в блоке 23.
В качестве термопреобразователей 1-8 выбраны полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании линейной зависимости падения напряжения от температуры на прямосмещенном р-п переходе при постоянном значении протекающего через него тока [55, 81, 116]. Использованы кремниевые диффузионные диоды К ДЮЗ Б [71], основным преимуществом которых являются малые габариты, небольшая постоянная тепловой инерции (в жидкости менее 5 с) и относительно высокая линейность преобразования при заданном стабильном токе через диод (нелинейность не больше 0,1 С в диапазоне температур от 20 С до 50 С).
Нормирующие измерительные преобразователи 9-14 реализованы на основе метода двухтактного интегрирования [32], достоинством которого является высокая степень подавления четных гармоник периодической помехи, независимо от сдвига фазы сетевого напряжения, если время интегрирования выбрано равным периоду помехи. Для выполнения этого условия тактовые счетные импульсы генератора опорной частоты синхронизированы с частотой помехи, вызванной сетевым напряжением, с помощью фазовой автоподстройки частоты [32]. Подавление сетевой помехи особенно важно при проведении экспериментов, связанных с электропрогревом бетонной смеси, поскольку термопреобразователи находятся в сильном электромагнитном поле, вызванном протеканием тока промышленной частоты через бетонную смесь.
Функциональная схема измерительного преобразователя приведена на рис. 2.2. Ток через термопреобразователь ТП задается на уровне 120 мкА с помощью генератора стабильного тока ГСТ, выходной сигнал термопреобразователя ТГТ фильтруется двухзвенным RC-фильтром Ф и усиливается неинвертирующим усилителем У1.
Выходной сигнал усилителя У1 поступает на первый вход суммирующего усилителя У2, на второй вход которого поступает напряжение с выхода источника опорного напряжения ИОН. На выходе усилителя У2 выделяется напряжение, равное приращению температуры относительно началь ного уровня, который, в зависимости от условий проведения эксперимента, выбирается в диапазоне 0...20 С. В первом такте интегрирования управляющий сигнал поступает на оптрон D2, при этом размыкается аналоговый ключ SW3 и замыкается аналоговый ключ SW1. Происходит интегрирование выходного напряжения усилителя У2, соответствующего измеряемой температуре. Во втором такте управляющий сигнал поступает на оптрон D1 и интегрируется опорное напряжение до момента пересечения выходным напряжением усилителя УЗ интегратора нулевого уровня. Выходной сигнал компаратора К через оптрон D3 поступает на вход контроллера. В преобразова теле «интервал времени - код» 23 происходит выделение второго интервала из выходного сигнала мультиплексора для выбранного измерительного нор
Математическая модель процессов тепло-массопереноса в керамзитобетонной смеси61
Перейдем к анализу физического взаимодействия свежеуложенной бетонной смеси с внешней средой. В данном случае бетонная смесь вступает в теплофизическое взаимодействие с воздухом, опалубкой и грунтом. В [52] выделяют следующие факторы, влияющие на формирование температурного поля бетона: - тепловое взаимодействие между бетоном и термовлагоизоляционным покрытием (при активном покрытии); - теплообмен между бетоном и окружающей средой (при пассивном термовлагоизоляционном покрытии); - тепловое взаимодействие между бетоном и основанием; - тепловыделение бетона при гидратации цемента; - изменения фазового состояния влаги в материале основания в пре делах глубины его промерзания. Рассмотрим эти факторы более подробно, выделяя при этом общие черты процессов тепловой обработки. Так, теплообмен будет происходить наиболее интенсивно с воздухом и грунтом, поскольку они имеют более низкую температуру, чем бетонная смесь, и может носить характер конвекции и излучения [35]. Вторым по интенсивности будет теплообмен между опалубкой и бетоном, посколысу разность температур в этом случае меньше, чем в системе «бетон - окружающая среда». В ряде случаев опалубку можно считать тепло изолятором, однако, это предположение будет давать завышенную величину для характеристик теплообмена. Такая идеализация резко сократит расчетную область ввиду того, что в этом случае нам не потребуется рассматривать тепловые процессы, проходящие в опалубке. Тепловым излучением в системе можно пренебречь, так как температура бетонной смеси на начальной стадии будет невысока, и в случае остывания имеет тенденцию к снижению.
Рассмотрим более подробно процессы теплообмена твердеющего бетона с окружающей средой. Поскольку лучистым теплообменом можно пренебречь, то теплообмен с окружающей средой может носить конвективный характер, что было отмечено ранее, а также характер теплопроводности. Характеристикой того, какой из видов теплообмена имеет место, является критерий Био Bi, который характеризует увеличение интенсивности теплообмена вследствие конвекции по сравнению с чистой теплопроводностью в покоящейся среде [75, 76]. В случае, когда ВІ 1, конвективный теплообмен преобладает по сравнению с теплопроводностью, что позволяет ограничиться только заданием температуры и теплового потока на поверхности бетонной смеси. Однако в случае, когда температуры бетонной смеси и окружающей среды существенно различны, предположение о конвективном характере теплообмена является неверным.
Тепло- массоперенос в керамзитобетонной смеси определяется как тепло- массо переносом в растворной составляющей, так и характером ее взаимодействия с керамзитом, что было отмечено ранее.
Рассмотрим физические процессы между растворной составляющей и керамзитом. Как было показано ранее, в отличие от тяжелого бетона, эти процессы существенно зависят от характера проникновения растворной части в керамзит, который, в свою очередь, будет во многом определяться технологией приготовления керамзитобетоыной смеси. В этом аспекте керамзитобетон можно рассматривать как двухфазную систему, состоящую из растворной составляющей и керамзита, в который она проникает. С другой стороны, процессы тепло- массопереноса непосредственно в растворной составляющей также зависят от технологии бетонирования. Таким образом, можно заключить, что тепло- массоперенос в керамзитобетоыной смеси в целом зависит от тепло- массопереноса в растворной составляющей и характера ее тепло- массообмена с керамзитом. Рассмотрим эти процессы отдельно, чтобы оценить вклад каждого из них в общий тепло- массообмен.
Перейдем к рассмотрению тепло- массопереноса между керамзитом и растворной составляющей. Выбор этого вида тепло- массообмена в качестве первичной характеристики тепловых процессов не случаен и обусловлен тем, что его вклад в формирование микроструктуры в керамзитобетоне в некоторых случаях является решающим. Перед этим отметим, что в случае технологий бетонирования, не являющихся раздельными, доставка керамзитобетона к месту укладки осуществляется бетоносмесителями. Предположим, что процессы массопереноса между растворной составляющей и керамзитом, флотация керамзита и эффект тепловыделения при его смачивании имеют место при транспортировке, а на стадии укладки ими можно пренебречь или считать установившимися, приняв, что открытое поровое пространство керамзита практически полностью заполнено растворной составляющей. В этой связи возникает вопрос о влиянии контактной зоны как одного из важнейших параметров структурообразования на процесс тепло- массообмена между растворной составляющей и керамзитом. Однако толщина контактной зоны составляет 200-400 мкм [27], что намного меньше размера керамзитового зерна, который составляет 5-40 мм, и ее наличием можно пренебречь. Приняв эту идеализацию, мы фактически предполагаем, что между керамзитом и растворной составляющей имеет место идеальный тепловой контакт, а зерна керамзита являются массонепроницаемыми. Эту идеализацию, по-видимому, с большой степенью точности можно применить и в случае раздельной технологии, предположив, что явление флотации можно исключить. Действительно, объем открытых пор керамзита составляет 5-15% от общего объема пор [24] , в связи с чем массообменом между растворной составляющей и керамзитом можно пренебречь по сравнению с теплообменом между растворной составляющей и скелетом керамзитовых зерен. Явление смачивания при соприкосновении растворной составляющей с зернами керамзита будет носить кратковременный характер, поэтому можно предположить, что на поверхности керамзитовых зерен и смачивание, и теплота, связанная с ним, в среднем будут носить пространственно- однородный характер.
Теперь перейдем к оценке тепло- массопереноса в растворной составляющей. Структурно-механические свойства бетона, определяются не столько фазовым составом новообразований, сколько физической структурой бетона в целом [29]. Одним из важнейших параметров, оказывающих большое влияние на формирование структуры бетона при его твердении, является величина температурных градиентов [29, 117]. В связи с этим решающими факторами, влияющими на структурообразование бетона при его тепловой обработке, являются теплофизические процессы, проходящие в нем [47]. Из этого можно сделать вывод, что формирование температурного поля в керамзитобетоне при его тепловой обработке является одним из основных параметров, определяющих характер твердения бетона. Однако процессы переноса тепла в твердеющем бетоне неразрывно связаны с переносом вещества, они тесно влияют друг на друга и поэтому перенос тепла должен рассматри ваться совместно с переносом вещества. Одним из главных критериев, влияющих на потенциал переноса, является критерий Лыкова Lu [75, 76], называемый таюке критерием взаимосвязи тепло- и массообмена. Он отражает взаимосвязь молярного переноса тепла и вещества в материале или интенсивность полей фильтрационного потенциала (поля избыточного давления) к полям температур [35]. В [76] установлено, что если Lu l, то влиянием мас-сопереиоса на температурное поле можно пренебречь. Как показано в работах С.Г. Головнева [39, 40], значение критерия Лыкова для твердеющего бетона в диапазоне 20 - 90 С колеблется в пределах 0,02 - 0,3. Отсюда следует вывод, что без ущерба для общности можно предположить, что теплоперенос и массоперенос в растворной составляющей являются независимыми явлениями, и тепловое поле в растворной составляющей будет определяться уравнением теплопроводности [73, 74].
Исследование кинетики температурного поля керамзитобетонной смеси на основе результатов эксперимента, полученных при применении технологии электропрогрева
Эксперимент по измерению температуры керамзитобетона в условиях применения технологии электропрогрева проводился с помощью разработанных информационно-регистрирующей системы и стенда для электропрогрева бетона по заданной программе. Проведение эксперимента состояло из следующих действий: - подготовки блока сбора данных; - приготовления керамзитобетонной смеси по заданным составам; - монтажа электродов в опалубку; - подключения стенда к электродам опалубки и установка с помощью задат-чика заданной скорости разогрева бетонной смеси; - монтажа термопреобразователей в опалубке; - укладки керамзитобетонной смеси в опалубку и ее предварительным выдерживанием в течение 2,5 ч; - подачи напряжения на электроды; - проведения измерений. При проведении эксперимента по электропрогреву использовалась схема подключения электродов, соответствующая сквозному типу электропрогрева, поскольку коэффициент теплопроводности керамзита более низкий, чем у растворной составляющей. При этом электропрогрев до максимальной температуры 55С осуществлялся по режиму 3+6 с последующим остыванием.
Результаты эксперимента в условиях технологии электропрогрева для составов I и II представлены на рис. 4.7, где 1 - 7 - номера термопреобразователей:
Также по формуле (4.1) была рассчитана средняя по ширине опалубки температура в случае применения электропрогрева для составов I и II. На рис. 4.8 изображены сводные графики средних температур в условиях применения электропрогрева для составов I и 11. электропрогрева для составов I и II. Анализ представленных графиков на рис. 4.8 дает возможность сде лать вывод о том, что теплообмен в керамзитобетонной смеси при примене нии электропрогрева носит, в отличие от нормальных условий, ярко выра " - женный пространственно-неоднородный характер. Характер изменения кри вых во времени показывает, что в случае электропрогрева общей тенденцией для двух составов является существование температурного градиента, ортогонального поверхности электродов и постоянного по длине опалубки. Кривые, соответствугощие термопреобразователям 1, 7, 2, 6 хорошо коррелируют между собой, что позволяет сделать вывод о его симметричном распределении по срединной линии поперечного сечения опалубки. При этом наиболее неоднородным является тепловое поле в случае электропрогрева керамзито-бетонной смеси, имеющей состав II. Это, по видимому, объясняется тем, что в данном случае в смеси с большим содержанием цемента реакция гидратации протекает на ранних этапах твердения более полно, что видно также из рис. 4.7 и 4.8. При сравнении графиков на рис. 4.8 видно, что для состава II нарастание средней температуры идет более медленно по сравнению с составом I, а ее установление - более быстро, что обусловлено меньшим В/Ц. Из динамики изменения во времени средних по ширине опалубки температур можно сделать вывод, что продолжительность установления температурного режима на изотермической стадии прогрева и остывания зависит главным образом от количества тепла, запасенного в период разогрева. Для состава I оно будет меньше по-видимому, ввиду того, что Б из-за большего В/Ц часть тепла уйдет на нагрев несвязанной влаги. При этом можно заметить, что на изотермической стадии прогрева происходит некоторое повышение температуры, что говорит об экзотермическом характере реакции гидратации. Вместе с тем данное повышение температуры, как можно увидеть из рис. 4.7 , составляет 1,5-2,5С, что составляет 2,8-4,5% от уровня температуры 55С. Это позволяет сделать вывод, что количество теплоты, получаемое керамзитобетоном при электротепловом воздействии путем теплопроводности, существенно превышает теплоту, образующуюся при реакции гидратации.
Исследование электрофизических параметров керамзитобетонной смеси при электропрогреве состояло из следующих операций: - подготовки регулятора температуры и выбора режима прогрева; - приготовления керамзитобетонной смеси по заданным составам; - установки в опалубке электродов и измерительного термопреобразователя регулятора температуры; - укладки керамзитобетонной смеси в опалубку; - подачи питающих напряжений на регулятор температуры и измерительный блок; - регистрация измерении. Регистрировались показания цифрового вольтметра В7-38 каждые 0,25-1 ч в зависимости от скорости изменения сопротивления керамзитобетона. При этом на время измерений осуществлялась блокировка выходного каскада измерителя мощности, т.е. измерения производились при отсутствии напряжения на электродах. Омическое сопротивление керамзитобетонной смеси определялось как отношение показаний вольтметра к выбранному значению переменного тока заданной величины 10 мА или 100 мА в зависимости от положения переключателя «выбор диапазона». Результаты электрофизических исследований приведены на рис. 4.9
