Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Термовиброобработка бетонной смеси как комплекс технологических воздействий, направленных на интенсификацию бетонных работ 18
1.1. Задачи интенсификации бетонных работ и основные направления их решения 18
1.2. Использование тепла в технологии бетона 24
1.3. Вибрационная обработка смеси как технологический прием повышения эффективности бетонных работ . 31
1.4. Использование давления, пара и электрического тока в технологии бетонных работ 33
1.5. Физико-химические и технологическиеосновы термовиброоб-работки бетонной смеси 37
Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. Исследования по повышению технологичности и эффективности устройств для термовиброобработки бетонной смеси 44,
2.1. Анализ существующих способов и устройств для предварительного разогрева бетонных смесей , 44
2.2. Влияние производственных факторов на конструктивно-технологические решения устройств для непрерывного разогрева бетонной смеси 54
2.3. Использование тепловых полей смеси, обрабатываемой в устройствах трубчатого типа 65
2.4. Оценка энергетической эффективности процесса термовиброобработки бетонной смеси и устройств трубчатого типа 79
2.5. Разработка критериев технологичности устройств трубчатого типа 96
Выводы по главе 2 104
ГЛАВА 3. Исследования ; свойств термовиброобработанных смесей 106
3.1. Система свойств бетонных смесей, регулирующих воздействий и регулируемых параметров при термовиброобработке бетонной смеси 106
3.2. Исследование удельного электрического сопротивления бетонных смесей, подвергаемых термовиброобработке 113
3.3. Исследование влияния термовиброобработки на сроки схватывания цемента 126
3.4. Исследование влияния термовиброобработки на удобоуклады-ваемость бетонных смесей 131
3.5. Разработка методики определения влагопотерь термовиброоб-работанными смесями 134
Выводы по главе 3 :... 138
ГЛАВА 4. Исследования физико-механических свойств бетона их термовиброобработанных смесей 139
4.1. Технологические факторы, влияющие на свойства бетона их термовиброобработанных смесей 139
4.2. Исследование влияния термовиброобработки смеси на прочность бетона -.. 142
4.3. Исследование влияния активной предварительной выдержки смеси на прочность бетона 147
4.4. Исследование морозостойкости бетона, полученного из термовиброобработанных смесей 164
4.5. Совершенствование методики оперативного контроля прочности бетона 174
Выводы по главе 4 179
ГЛАВА 5. Основы интенсифицированной технологии бетонирования с использованием термовиброобработанных смесей 180
5.1. Отработка процесса обработки бетонной смеси в производственных условиях, повышение технологичности оборудования 180
5.2. Разработка методики расчета и принципов конструирования установок для термовиброобработки смесей 206
5.3. Взаимоувязка процессов обработки, укладки смеси и выдерживания бетона 222
5.4. Совершенствование методики разработки технологической документации по бетонированию конструкций с использованием термовиброобработанных смесей 238
5.5. Внедрение результатов исследований и разработок 244
5.6. Экономическая эффективность интенсифицированной технологии бетонирования на основе термовиброобработки бетонной смеси 249
Выводы по главе 5 254
Выводы по работе 256
Список литературы 258
Приложения 278
- Использование давления, пара и электрического тока в технологии бетонных работ
- Влияние производственных факторов на конструктивно-технологические решения устройств для непрерывного разогрева бетонной смеси
- Исследование удельного электрического сопротивления бетонных смесей, подвергаемых термовиброобработке
- Исследование влияния активной предварительной выдержки смеси на прочность бетона
Введение к работе
Актуальность. Бетон был и на ближайшее обозримое будущее останется одним из основных строительных материалов. Ведущие страны мира в области монолитного и сборного железобетона признают жизненно важным сочетание экономики, экологии и долговечности конструкций. Для бетона массового применения важнейшее значение приобретает удешевление конструкций и повышение их качества. Это возможно за счет интенсификации бетонных работ, одним из направлений которой является разработка, совершенствование и внедрение энерго-ресурсосберегающих технологий монолитного и сборного бетона. Об актуальности энерго-ресурсосбережения в производстве монолитного и сборного бетона и железобетона свидетельствуют, например, такие факты. При возведении монолитных конструкций при отрицательных температурах наружного воздуха время их выдерживания в опалубке составляет двое - трое суток и более. При этом энергозатраты на термообработку бетона находятся в пределах от 50-100 до 200-300 кВт-ч/м3.
В связи с увеличением доли монолитного бетона по отношению к сборному более актуальной становится проблема ускорения темпов набора прочности бетона и в летнее время.
При изготовлении сборных изделий и конструкций время на тепловую обработку бетона составляет около 70% общего цикла их производства, при энергозатратах на пропаривание бетона в среднем 0,5 Гкал/м или 580 кВт-ч/м .
Одной из энерго-ресурсосберегающих технологий является производство работ с использованием метода предварительного электроразогрева бетонных смесей. Отечественными учеными (А.С. Арбенев, B.C. Баталов, П.Г. Комохов, Б.М. Красновский, Б.А. Крылов, В.П. Лысов, Д.С. Михановский и многие другие) выполнен большой комплекс исследований и разработок в области предварительного разогрева бетонных смесей. Доказана его высокая эффективность, заключающаяся в ускоренном наборе прочности бетона, сокращении энергозатрат, экономии цемента, в повышении качества бетона. Несмотря на указанные достоинства, предварительный электроразогрев бетонной смеси не находит должного распространения.
Настоящая работа направлена на научное обоснование технических и технологических решений, способствующих внедрению в массовое строительство прогрессивной технологии бетонирования. Взяв за основу метод предварительного электроразогрева бетонной смеси, дополненный другими технологическими воздействиями на смесь (вибрация, избыточное давление, пар), автор свои исследования и разработки направил на повышение технологичности оборудования и эффективности процесса обработки смеси. Комплекс исследований и разработок, представленный в данной диссертации, позволил существенно повысить технологичность оборудования и эффективность процесса обработки бетонных смесей, что создает возможность внедрения в массовое строительство энерго-ресурсосберегающей технологии бетонирования конструкций.
Суть термовиброобработки бетонной смеси (ТВОБС) состоит в том, что перед укладкой в опалубку или форму смесь подвергается непрерывному форсированному предварительному разогреву электрическим током с одновременным воздействием на нее вибрации, избыточного давления и пара. Такая комплексная обработка бетонной смеси позволяет: интенсифицировать гидратацию цемента, вовлечь большее его количество в процесс структурообразования цементного камня на ранней стадии твердения бетона; эффективнее использовать тепло, внесенное в бетонную смесь, и экзотермию цемента; свести к минимуму деструктивные процессы в твердеющем бетоне и тем самым повысить его качество.
Из сути ТВОБС следует, что ее надо рассматривать как метод зимнего бетонирования, как мощное средство ускорения твердения бетона и в конечном итоге - как эффективный способ интенсификации бетонных работ.
Применение технологии на основе ТВОБС актуально как для возведения монолитных, так и для изготовления сборных конструкций.
Цель работы заключается в выявлении зависимостей и характера влияния термовиброобработки бетонных смесей на их свойства и свойства получаемого бетона, в разработке рекомендаций, обеспечивающих возможность внедрения в строительство энерго-ресурсосберегающей технологии бетонирования на основе термовиброобработки смесей.
Создание ТВОБС, как технологии бетонирования конструкций, являющейся разновидностью предварительного разогрева, связано с разработкой новых способов и устройств. Это предопределило необходимость проведения исследований по выявлению влияния термовиброобработки на свойства бетонных смесей, на режимы бетонирования конструкций, на свойства получаемого бетона. Это нашло отражение в постановке задач работы.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Провести анализ публикаций и обобщить опыт использования термо-виброобработанных смесей. Выявить возможности интенсификации бетонных работ за счет совершенствования средств и режимов обработки смесей.
2. Выявить влияние производственных и технологических факторов на конструктивно-технологические решения устройств, обеспечивающих эффективную обработку бетонных смесей.
3. Установить зависимости влияния термовиброобработки бетонных смесей на их свойства, обеспечивающие выбор рациональных режимов бетонирования конструкций.
4. Выявить характер и степень влияния термовиброобработки бетонных смесей на физико-механические свойства бетона.
5. Провести производственную проверку предлагаемых рекомендаций по интенсификации бетонных работ, включая оценку технологичности и эффективности средств термовиброобработки, созданных по результатам исследований.
Научная новизна работы заключается в установлении возможности и целесообразности интенсификации бетонных работ на основе термовиброобра ботки бетонных смесей, в исследовании процесса термовиброобработки смесей в устройствах трубчатого типа, в выявлении зависимостей, характеризующих влияние термовиброобработки смесей на процесс бетонирования конструкций и нарастания прочности бетона и позволивших разработать требования к устройствам и режимам обработки смесей. Результаты исследований и разработок нашли отражение в 5 авторских свидетельствах и 4 патентах РФ на способы и устройства.
Научная новизна раскрыта в следующих научных результатах:
1. Установлено, что непрерывный электроразогрев бетонной смеси в сочетании с одновременным воздействием на нее вибрации, избыточного давления, пара и других технологических приемов является одним из наиболее эффективных направлений интенсификации бетонных работ. Распространение термовиброобработки бетонной смеси до выполнение данной работы сдерживалось из-за низкой технологичности используемых устройств.
2. Выявлено влияние производственно-технологических факторов (интенсивность бетонирования, электрическая мощность, температура разогрева смеси и др.) на параметры камер разогрева, определяющие технологичность и эффективность устройств для обработки бетонных смесей.
Научно обоснованы критерии температурной однородности смеси, выведены математические зависимости между напряженностью электрического поля и геометрическими параметрами камер разогрева с различным сочетанием электродных групп.
3. Установлены зависимости влияния термовиброобработки на свойства бетонных смесей (удельного электрического сопротивления, сроков схватывания цемента, удобоукладываемости, изменения влагосодержания смеси за счет испарения воды), положенные в основу выбора рациональных режимов обработки смесей и производства бетонных работ.
Обоснован комплекс технологических приемов, включающий активную предварительную выдержку смеси (АПВ), регулирование водосодержания сме си, режимы ТВОБС и выдерживания бетона и позволяющий управлять процессами обработки смеси и структурообразования бетона.
4. Выявлено влияние отдельных факторов и параметров комплексной обработки смеси на физико-механические свойства бетона. Установлены закономерности и выведены зависимости нарастания прочности бетона от параметров активной предварительной выдержки бетонной смеси и температуры разогрева смеси.
Доказана возможность получения морозостойкого бетона (F 300) из тер-мовиброобработанных смесей без применения пластифицирующих и воздухо-вовлекающих добавок.
Достоверность результатов исследований обусловлена:
? адекватностью расчетных и экспериментальных данных при оценке тепловых и электрических полей в камерах разогрева бетонной смеси;
? соответствием фактических параметров процесса разогрева смеси расчетным значениям, полученным с использованием выведенных зависимостей;
? сходимостью результатов расчетных (по температурно-временному фактору), разрушающих и неразрушающих методов контроля кинетики нарастания прочности бетона из термовиброобработанных смесей;
? применением статистических методов обработки результатов экспериментальных исследований;
? опытом применения результатов исследований в реальных условиях строительного производства, подтвердившим эффективность предлагаемых технологических решений.
Практическая значимость работы в целом состоит в том, что результаты исследований доведены до возможности их использования при проектировании и производстве работ, а накопленный опыт их реализации свидетельствует о возможности и целесообразности внедрения в массовое строительство технологии бетонирования на основе ТВОБС.
Практические результаты работы сводятся к следующему;
? разработаны требования к установкам ТВОБС, в том числе к оценке их технологичности, методика расчета и принципы конструирования;
? взаимоувязаны режимы обработки, укладки смеси и выдерживания бетона;
? усовершенствована методика разработки технологической документации по бетонированию конструкций с использованием термовиброобработан-ных смесей;
? материалы исследований и разработок используются в учебном процессе, в частности, при разработке курсовых и дипломных проектов студентами специальности «Промышленное и гражданское строительство».
Реализация работы. Требования к установкам ТВОБС, методика их расчета и принципы конструирования реализованы при создании экспериментальных, полупромышленных и головных образцов промышленных серий установок ТВОБС. Рекомендации по режимам обработки смесей и бетонированию конструкций использованы при внедрении технологии бетонирования термо-виброобработанными смесями. В частности, установки производительностью 3-6 м3 в час использовались при бетонировании конструкций в следующих организациях и на предприятиях: трест № 6 Главленинфадстроя (1986г.); трест № 18 Главленинградстроя (1989г.); ПСО «Монолит» Главленинградстроя (1989г.); ЗАО «Рощинострой», пос. Рощино Ленинградской обл. (1993г.); ЗАО «Мостоотряд - 19», Тверской филиал (1994г.); ЗАО «Спецтоннельстрой» в Санкт-Петербурге (1997г.); ЗАО «ЖБКиД» в Санкт-Петербурге (1998г.); ЗАО «АОР» пос. Ропша Ленинградской обл. (2002г.).
В СПбГАСУ для научно-исследовательских, учебных и демонстрацион-ных целей с 1997 года применяется установка производительностью 0,1-0,3 мл в час.
Апробация работы. Основные положения, результаты исследований, разработок и внедрения докладывались и были одобрены:
? на ежегодных научных конференциях ЛИСИ (1985-1991), затем СПбГАСУ (1992-2002);
? на всесоюзных, республиканских научно-технических конференциях и семинарах: Челябинск (1987, 1999); Владимир (1987, 2000); Ленинград (1991 -3 конференции); Тюмень (1987);
? на международных, межгосударственных (страны СНГ) симпозиумах, конференциях, семинарах: Ленинград (1991); Санкт-Петербург (1992 - 2 конференции, симпозиум, 1993, 1994, 1997гг.); Ванкувер, Канада (1993); Магнитогорск (1994); Владимир (1996, 1997, 2000гг.); Минск (1997);
? на академических чтениях РААСН (1996) и ПАНИ (1998);
? на заседаниях секции «Бетон и железобетон» НТО Стройиндустрии (1986, 1988);
? на заседаниях секции «Транспортных сооружений» Дома ученых АН РФ совместно с НТО строителей Санкт-Петербурга и Ленинградской области (1998,2000гг.).
Материалы по работе демонстрировались на международных выставках и ярмарках: Лейпциг, Германия (1995), Санкт-Петербург (1993-1996).
Публикации. Основные положения работы отражены в печатных публикациях, включающих одну монографию, 75 статей, 5 авторских свидетельств на изобретения, 4 патента.
На защиту выносятся:
? результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований и обобщения опыта использования бетонных смесей, активированных в процессе разогрева;
? совокупность теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих при термовиброобработке бетонных смесей, и разработанные на основе этих исследований рекомендации по повышению эксплуатационной технологичности и энергетической эффективности устройств для обработки смесей;
? результаты исследований по влиянию термовиброобработки на свойства бетонных смесей и полученные при этом зависимости, положенные в основу назначения рациональных режимов обработки смесей и бетонирования конструкций;
? комплекс технологических приемов (активная предварительная выдержка, регулирование водосодержания бетонной смеси, режимы ТВОБС и выдерживания бетона), их сочетание и параметры, использование которых позволяет управлять процессами термовиброобработки бетонных смесей и структу-рообразования твердеющего бетона;
? способ определения влагопотерь из разогретых бетонных смесей;
? результаты исследований по влиянию термовиброобработки на физико-механические свойства бетона, установленные при этом закономерности и зависимости нарастания прочности бетона от температуры разогрева и параметров активной предварительной выдержки бетонной смеси;
? рекомендации по методике расчета и принципам конструирования устройств трубчатого типа, оценке их эксплуатационной технологичности и энергетической эффективности, по режимам термовиброобработки смесей и бетонированию конструкций. Опыт производственного внедрения интенсифицированной технологии бетонирования с использованием термовиброобрабо-танных смесей.
Объект исследований — бетонные работы при возведении монолитных и изготовлении сборных конструкций.
Предмет исследований - бетонные смеси (преимущественно на тяжелом заполнителе), процесс их обработки и получаемый из них бетон.
Методы исследования. Литературный обзор, обобщение производственного опыта, патентные исследования, планирование эксперимента, статистическая обработка результатов. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по стандартным и специальным методикам.
С применением стандартных методик исследовались: нормальная густота цементного теста; подвижность бетонной смеси; прочность, морозостойкость бетона. По специальным методикам исследовались: параметры процесса разогрева смеси, ее электропроводность; влияние температуры на сроки схватывания цемента, влагопотери из разогретой смеси в процессе её укладки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основной текст составляет 277 машинописных страниц, в том числе 49 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы включает 222 наименования.
Структурно-логическая схема выполнения работы, представленная на рис.1.1., обусловлена следующими соображениями. Анализ литературных источников, обобщение результатов исследований и разработок, выполненных предшественниками, и производственного опыта - все это позволило установить целесообразность термовиброобработки бетонных смесей, как научного направления, позволяющего решать большинство задач интенсификации бетонных работ. Выявление «узких мест» предварительного электроразогрева, как основы термовиброобработки бетонной смеси, позволило определить направления исследований и сформулировать задачи работы. (Глава I).
Одна из главных причин, сдерживающих распространения предварительного электроразогрева, - низкая технологичность использованного оборудования. Решения, направленные на улучшение технологичности оборудования и повышение эффективности процесса обработки смеси, автор обосновывал с позиций требований производства, предъявляемых к технологии бетонирования и с учетом явлений и процессов, происходящих в бетонной смеси при ее обработке. Этому посвящена вторая глава диссертации.
Новые способы обработки бетонной смеси и устройства их осуществления, предложенные автором, потребовали исследования свойств бетонных смесей, подвергнутых термовиброобработке. Необходимость в проведении этих исследований обусловлена следующим. Удельное электрическое сопротивление, как одно из основных свойств бетонной смеси, влияет на обоснования ре жимов ее обработки и на параметры камеры разогрева, в которой производится обработка смеси. Сроки схватывания цемента, характер изменения удобоукла-дываемости термовиброобработанных смесей влияют на режимы бетонирования конструкций. Исследования свойств термовиброобработанных смесей представлены в третьей главе диссертации.
Любая технология оценивается качеством производимой продукции, в данном случае - качеством бетона. Четвертая глава посвящена исследованию влияния термовиброобработки на физико-механические свойства бетона. Представлены результаты исследований прочности и морозостойкости бетона из термовиброобработанных смесей. Эти свойства бетона определяют несущую способность конструкций и их долговечность.
В пятой главе изложены основы интенсифицированной технологии бетонирования конструкций с использованием термовиброобработанных смесей. Представлены результаты отработки процесса обработки бетонной смеси в производственных условиях на создаваемом оборудовании и описана эволюция повышения его технологичности. На основе выполненных исследований разработаны методика расчета и принципы конструирования установок ТВОБС, обоснована взаимоувязка процессов термовиброобработки, укладки смесей и выдерживания бетона. Описано внедрение результатов исследований и разработок. Приведены показатели интенсифицированной технологии бетонирования конструкций на основе термовиброобработки смесей.
Использование давления, пара и электрического тока в технологии бетонных работ
В данном параграфе вопросы теплового воздействия на бетон и бетонную смесь рассмотрены с позиций решения задач интенсификации бетонных работ. Дан обзор имеющейся в литературе информации по влиянию тепла, как технологического фактора, на качество бетона, на темпы нарастания его прочности и на величину энергозатрат.
Качество бетона и скорость его твердения определяются характером процессов, связанных с превращением смеси в бетон.
Исследованию процессов, происходящих в бетонной смеси и твердеющем бетоне под воздействием повышенных температур, посвящены работы А.С. Арбеньева, Ю.М. Баженова, B.C. Баталова, Ю. М. Бутта, В.П. Ганина, П.Г. Комохова, Б.М. Красновского, Б.А. Крылова, Л.А. Малининой, С.А. Миронова, A.M. Невиля, Г.В. Клаусека и других [18, 31, 37, 46, 58, 105, 112, ИЗ, 155,218,219].
В работах указанных ученых показано, что тепловая обработка бетона является наиболее распространенным и эффективным методом ускорения твердения бетона. Повышенные температуры твердеющего бетона оказывают воздействие на кинетику структурообразования, динамику набора прочности, свойства получаемых кристаллических структур. Исследованиями И.В. Кравченко и М.Г. Власовой было установлено, что скорость химических реакций в твердеющем бетоне по сравнению с нормальными условиями возрастает в шесть раз при температуре 80С и в десять раз - при температуре 100С [109]. При этом существенной разницы в составе продуктов гидратации не обнаружено.
По мнению Л.А. Малининой, обобщившей результаты исследований в области тепловлажностной обработки бетона, нет существенной разницы между конечным фазовым составом новообразований, возникающих при твердении в нормальных условиях и при прогреве. При этом прогрев не только не уменьшает степень гидратации, но даже несколько увеличивает ее [128].
По мере повышения температуры ускоряется кинетика процессов, последовательность и полнота фазовых превращений, сокращается индукционный период твердения. Независимо от температуры твердения суммарное тепловыделение (экзотермическое тепло) пропорционально степени гидратации цемента [46].
Тепловлажностная обработка бетона в пределах до 40С относится к мягким режимам прогрева. При температуре свыше 50С характер нарастания прочности бетона на различных цементах становится дифференцированным и тем в большей степени, чем выше температура прогрева. Прогрев бетона на портландцементе при температуре 70-80С может привести к снижению прочности до 20% по отношению к образцам нормального твердения. Смешанные цементы, наоборот, дают прирост прочности тем больший, чем выше температура тепловой обработки. По данным С.А. Миронова относительная прочность бетона, выдержанного 28 суток после пропаривания или электропрогрева, по отношению к образцам нормального твердения составляет 80-110% - для портландцемента и 110-130%) - для шлакопортландцемента [144]. Объясняется это тем, что тонкомолотые активные добавки, особенно доменный гранулированный шлак, при повышенных температурах вовлекаются в процесс твердения, обеспечивая прирост прочности бетона.
Тепловлажностная обработка бетона, не оказывая заметного влияния на изменение фазового состава новообразований, степень и глубину гидратации цемента, сказывается прежде всего на изменение капиллярно-пористой структуры бетона. Рассмотрим это более подробно. По П.А. Ребиндеру, в оводненных капиллярах наблюдаются следующие формы связи воды: химическая; физико-химическая, в основном адсорбционная мономолекулярных слоев и влага с осмотической связью; физико-механическая, находящаяся в капиллярах, адсорбционная полимолекулярных слоев, а также жидкость смачивания. В начале твердения химически связывается не более 1% воды от веса цемента (первые 2 часа), следовательно, преобладает вода с физико-механической связью. По мере твердения количество химически связанной воды возрастает, но незначительно, не превышая к 28 суткам 18-22%. Избыточная вода постепенно испаряется, оставляя за собой поры [29].
В свежеуложенном бетоне всегда содержится газообразная фаза, источниками формирования которой являются: воздух, вовлекаемый в бетонную смесь в процессе приготовления, укладки и виброуплотнения, с размерами пузырьков 0,005-0,2 см; воздух, адсорбционно связанный поверхностями твердых частиц; воздух, растворенный в воде и переходящий в свободное состояние под влиянием вибрации и нагрева. Например, при нагревании I л. обычной водопроводной воды от 15 до 90С выделяется 10 см воздуха. Кроме того, в результате реакции между дисперсным железом, содержащимся в цементе, и водой затворения выделяются водород и другие газы.
По данным НИИ цемента, в 1 т. цемента содержится 1-2 кг. железа с размерами частиц 0,5-0,6-10"4 см. Разложение воды железом длится 6-8 ч.; если прореагирует 1 кг. железа, может выделиться 0,39 м газа. Реакция ускоряется с повышением температуры [34].
Следовательно, в начале твердения свежий бетон содержит 170-200 л/м" воды, 30-40 л/мл газообразной фазы. Таким образом, пористость складывается из объема, занятого испаряемой водой, и объема газообразной фазы [33]. По данным А.Е. Щейкина [199] общая пористость цементно-песчаных растворов, подвергнутых тепловой обработке, была в среднем на 8-15% больше по отношению к образцам нормального твердения. Исследования Л.А. Мали-ниной также указывает на увеличение общей пористости прогретого бетона на 10-13% [128]. По мнению ряда ученых [46, 65, 133] причинами нарушения структуры бетона, твердеющего в условиях повышенной температуры являются: ? объемные изменения, вызванные различием тепловых расширений компонентов бетона, главным образом воды, паровоздушной фазы и воздуха, в том числе вовлеченного в процессе приготовления и укладки бетонной смеси, адсорбционного и выделяющегося из воды при нагревании; ? избыточное давление паровоздушной фазы, возникающее в порах бетона; ? миграция влаги; ? объемные изменения, связанные с внутренним и внешним массообме-ном. Из-за деструктивных явлений, вызванных тепловой обработкой бетона, потери его прочности составляют 17-23% [34]. Рядом технологических приемов (предварительная выдержка, мягкие ступенчатые режимы подъема температуры) можно уменьшить отрицательные последствия деструктивных процессов, но полностью их исключить невозможно.
Влияние производственных факторов на конструктивно-технологические решения устройств для непрерывного разогрева бетонной смеси
Относительность перемещения смеси и электродов. Непрерывный разогрев предполагает один из трех вариантов относительного движения в системе "камера разогрева - электроды - бетонная смесь".
Смесь перемещается относительно электродов, неподвижно закрепленных в камере разогрева. Эта схема является наиболее распространенной при перемещении смеси за счет гравитации, вибрации или под давлением. Достоинства: простота и надежность крепления жил силового кабеля к электродам; самоочищение электродов движущейся бетонной смесью. Такое решение требует применения износостойкого материала для электродов и электродной камеры.
Смесь вместе с электродами перемещается относительно камеры (зоны) разогрева ленточным транспортером, лента которого оснащается электродами. Относительная неподвижность электродов и смеси в зоне разогрева способствует обрастанию электродов бетоном. Усложняется подвод электроэнергии к электродам.
Электроды перемещаются относительно неподвижной смеси. Характерным примером такого решения является разогрев уложенной в дело бетонной смеси при устройстве облицовок каналов, дорожных покрытий т.п.
Форма и конструкция электродной камеры может быть оценена по ряду подпризнаков. По способу устройства: сборная, т.е. собранная из отдельных элементов, соединенных на электросварке, болтах и т.п.; цельнометаллическая; комбинированная. По сообщению с окружающей средой: открытая; закрытая; герметичная; по типу: лоток; конвейер; емкость.
Форма и конструкция электродов. Электроды являются существенным элементом устройства для электроразогрева. По форме и конструкции выявлены следующие типы электродов: плоско-параллельные в виде пластин; треугольные; полосовые; кольцевые; спиральные, в виде чередующихся секций; сетчатые; стержневые. По способу крепления электродов и их пространственного размещения в камере существуют два принципиально отличных решения: электродные группы расположены в пространстве камеры, охватывая весь ее объем; электродные секции размещены на рабочих поверхностях камеры разогрева. Достоинства и недостатки каждого типа электродов и способы их размещения могут быть оценены только в совокупности с другими признаками способов и устройств для непрерывного электроразогрева.
Возможность доступа к рабочим поверхностям электродной камеры для ее очистки является одним их важнейших признаков, определяющих жизнеспособность устройств. По этому признаку автором предложено все устройства для электроразогрева разбить на три группы: со свободным, ограниченным и затрудненным доступом (более подробно см. 2.4).
По способу управления процессом обработки смесей выделено два под-признака: возможность регулирования температуры разогрева смеси и изменения производительности устройства. Выявлены устройства с нерегулируемым процессом обработки смеси, а также, с ручным и автоматическим регулированием.
Важным признаком устройств для электроразогрева смеси является равномерность загрузки фаз питающей электросети. Подавляющее большинство устройств предусматривают равномерную загрузку фаз при установившемся режиме обработки смеси. Однако не все из них удовлетворяют этому требованию в начале и в конце процесса разогрева, то есть при заполнении и опорожнении электродной камеры.
Анализ существующих устройств для непрерывного электроразогрева бетонной смеси, проведенный по частным классификационным признакам, позволил установить признаки технологичности устройств для термовиброобработки бетонной смеси и выявить наиболее эффективные устройства, удовлетворяющие большему числу как общих, так и частных признаков. Признаки технологичности: ? удобство обслуживания, в том числе возможность быстрого доступа к внутренним поверхностям электродной камеры для их очистки; ? возможность управления процессом обработки смеси, в том числе по температуре разогрева и производительности; ? равномерность температуры разогрева бетонной смеси; ? безопасность обслуживающего персонала; ? надежность и долговечность оборудования. Требованиям непрерывного электроразогрева, дополненного другими технологическими воздействиями и осуществляемого как в условиях строительной площадки, так и на заводе или на полигоне, в наибольшей мере удовлетворяют устройства типа «труба в трубе». Лотковый тип устройства (труба -это разновидность лотка) позволяет использовать вибрацию не только как способ активации смеси, но и как средство ее транспортирования. Закрытая и герметичная форма поперечного сечения не только сводит к минимуму тепло-влагопотери в процессе разогрева смеси, но и позволяет дополнить разогрев воздействием на смесь избыточного давления и пара. Корпус устройства в виде трубы устойчив к вибрации, следовательно, долговечен. Обработка смеси в устройствах типа «труба в трубе» является высокоэффективной, так как обеспечивает получение наибольшей прочности бетона по сравнению с другими способами и устройствами активации смеси. Устройства этого типа и взяты за основу для совершенствования с целью повышения их технологичности и эффективности и внедрения в массовое строительство.
Исследование удельного электрического сопротивления бетонных смесей, подвергаемых термовиброобработке
Одним из важнейших критериев оценки процессов предварительного разогрева и используемого при этом оборудования является температурная однородность смеси (или обратная, величина - температурная неоднородность). Следует различать два вида температурной однородности: температурную однородность компонентов бетонной смеси и ее объемную температурную однородность.
Предварительный электроразогрев основан на превращении электрической энергии в тепловую при пропускании тока через бетонную смесь. Токо-проводящей средой является цементный раствор, а точнее - его жидкая фаза в виде водного раствора, насыщенного продуктами гидратации цемента. Запол-нитель, как мелкий, так и крупный, ток практически не проводит. В силу малых размеров зерен мелкого заполнителя (песка) его тепловой инерцией можно пренебречь. Таким образом, с точки зрения достижения температурной однородности правомерно говорить о двух компонентах бетонной смеси - о растворной части, имея в виду смесь воды, цемента и песка, и о крупном заполнителе.
Температурная однородность компонентов бетонной смеси, определяемая в основном временем передачи тепла от растворной части зернам крупного заполнителя, практически не зависит от конструктивно-технологических особенностей и параметров камеры разогрева. При больших скоростях разогрева смеси, а в нашем случае это 1500 - 3000 С в час, недогрев крупного заполнителя будет всегда иметь место. Негативное влияние этого обстоятельства можно уменьшить, например, ограничением размеров зерен крупного заполнителя, но полностью исключить невозможно. Его следует учитывать в тепловом балансе при увязке режимов разогрева смеси и выдерживания бетона (см. 5.2).
Объемная температурная однородность характеризуется величиной перепада температуры по объему обрабатываемой смеси. В свою очередь она является косвенной характеристикой равномерности распределении плотности тока по объему смеси. Плотность тока, следовательно, и объемная температурная однородность зависят прежде всего от формы, размеров и взаимного расположения электродов камеры разогрева. При непрерывном движении бетонной смеси в устройствах трубчатого типа с одинаковой скоростью в пределах всей площади поперечного сечения объемная температурная однородность может оцениваться перепадом температур бетонной смеси в различных точках поперечного сечения камеры разогрева.
Исследования распределения тепловых полей в устройствах трубчатого типа промышленных установок - задача трудновыполнимая по соображениям электробезопасности, организационных и технических сложностей ее реализации. Поэтому экспериментальные исследования тепловых полей проведены в лабораторных условиях на моделях виброэлектрореактора (ВЭР), термовибро-органа (ТВО) и трубы греющей вертикальной (ТГВ). При проведении этих исследований решались следующие задачи: 1) разработка критериев и методики оценки эффективности электродных камер ВЭР, ТВО и ТГВ по признаку температурной однородности разогреваемой смеси; 2) количественная оценка эффективности процесса разогрева в моделях ВЭР, ТВО и ТГВ по признаку температурной однородности смеси.
Основой моделей электродных камер устройств трубчатого типа служил корпус в виде цилиндрической емкости диаметром 216 мм и высотой 240 мм из электроизоляционного материала (полиэтилена). Вид устройства имитировался установкой в емкость соответствующих электродных групп (рис. 2.7). В модели ВЭР в корпус устанавливались цилиндрические электроды. Наружный электрод, вплотную примыкающий к стенке емкости и выполняющий функцию корпуса ВЭР, подключался к нулевому проводу трехфазной сети с глухозазем-ленной нейтралью. Центральный электрод, выполняющий функцию одной из электродных секций, установленных на внутреннюю трубу ВЭР, подключался к одной из фаз. В экспериментах были использованы три центральных электрода диаметрами (d) 48, 68, 100 мм, обеспечивающие соотношения с диаметром корпуса (D), соответственно 1 : 4,4; 1 : 3,1; 1 : 2,1. Среднее значение d : D соответствует соотношению диаметров внутренней и наружной труб одного из опытно-промышленных образцов ВЭР [17]. Граничные (минимальное и максимальное) значения соотношений d : D приняты с учетом следующих соображений. Минимальный размер кольцевого сечения устройства типа "труба в трубе" должен превышать размер зерен крупного заполнителя в 3,5 раза, что исключает заклинивание зерен. При максимально допустимом размере зерен заполнителя 25 мм минимальный размер кольцевого сечения не должен быть меньше 3,5 х 25 = 87,5 мм. При диаметре D = 325 мм в реально существовавшем ВЭР диаметр внутренней трубы составит d = 325 - (2 х 87,5) - 150 мм или d : D = = 1 : 2,1. Соотношение d : D = 1 : 4,4 определено по экстраполяции между максимальным и средним значениями этих соотношений. Кроме того, предварительные опыты показали, что указанные соотношения обеспечивает время достижения температуры 100С в пределах от одной до трех минут.
В модели ТВО центральные электроды, подключаемые к нулевому проводу трехфазной сети, приняты такими же, как в модели ВЭР, т.е. диаметрами 48, 68, 100 мм. Это, при прочих равных условиях, (одно и тоже напряжение, один и тот же состав бетонной смеси), обеспечивало сопоставимость оценки ВЭР и ТВО. В качестве токосъемных применялись полосовые электроды шириной (по дуге) 120 мм, которые прикреплялись к стенке корпуса модели со взаимным смещением на 120 . Ширина электродов 120 мм принята из условия соблюдения минимально допустимого межэлектродного расстояния. При напряжении 380 В и принятом начальном удельном сопротивлении бетонной смеси 6,0 Ом-м при расстоянии в 100 мм между соседними электродами не возникает кипение бетонной смеси в течении трех минут. Это расстояние было определено на модели с плоскими электродами. К каждому электроду в модели ТВО была подключена одна из фаз трехфазной сети переменного тока.
Таким образом, в схемах подключения ВЭР и ТВО, как потребителей электроэнергии, общим является наличие фазного тока, возникающего в бетонной смеси, как в активном сопротивлении от напряжения 220 В. В ВЭР и ТВО имеет место схема подключения по звезде, предусматривающая наличие нулевого электрода, подключаемого к глухозаземленнои нейтрали. В ТВО эта схема дополняется подключением электродов по треугольнику (напряжение 380 В), то есть имеется смешенная схема, а результирующее рабочее напряжение составляет около 300 В (см 5.1). Использование глухозаземленнои нейтрали в схемах подключения ВЭР и ТВО позволило применить одни и те же центральные электроды диаметрами 48, 68, и 100 мм в обеих схемах.
Исследование влияния активной предварительной выдержки смеси на прочность бетона
Температура бетона к началу выдерживания в значительной мере зависит от эффективности процесса разогрева смеси. Например, большая объемная температурная неоднородность смеси и связанное с этим интенсивное парообразование в процессе разогрева смеси приводят к снижению t6HB. Действительно, в силу скоротечности процесса обработки смеси (1-3 мин) энергия, затраченная на парообразование, не успевает полностью усваиваться бетонной смесью и безвозвратно теряется. Температурная неоднородность после перераспределения тепла также приводит к снижению t6HB.
Для оценки энергетической эффективности ТВОБС процесс разогрева будем рассматривать в промежутке времени, включающим разогрев смеси, ее укладку в форму и укрытие открытой поверхности забетонированной конструкции. В этот промежуток времени имеют место теплопотери, происходящие за счет: нагрева корпуса разогревающего устройства и его охлаждения наружным воздухом; испарения воды и охлаждения смеси при ее укладке; нагрева опалубки (или формы) и арматуры. Снижение температуры смеси к моменту ее укрытия происходит также за счет: перераспределения тепла между недогретой и перегретой зонами смеси (см. 2.3); перераспределения тепла между растворной частью смеси и крупным заполнителем (см. 5.1).
Теплопотери по каждой из указанных составляющих могут быть определены расчетным путем. Это неизбежно связано с рядом допущений и ограничений, которые не всегда отражают реальную картину процесса. Неадекватные действительности исходные предпосылки дают и неадекватные результаты расчетов даже при очень точном и детальном их выполнении, что может привести к ошибочным выводам. Например, в работе [35] расчетом доказывается, что влагопотери, следовательно и теплопотери, при порционном разогреве смеси гораздо больше, чем при непрерывном. Экспериментальные исследования, проведенные автором, свидетельствуют об обратном (см. 3.3). Другой пример. В работе [76] при определении тепло-влагопотерь разогретой смесью в процессе ее падения из устройства для разогрева до места укладки, ошибочно принята модель, предусматривающая сплошность потока падающей смеси. Точные расчеты, выполненные в соответствии с этой моделью, показали, что теплопотери на этом этапе составляют 1,5%. Многочисленные наблюдения автора, многие из которых зафиксированы с помощью фото- и видеосъемки, свидетельствуют о нарушении сплошности структуры падающей смеси. Это обстоятельство является одной из причин, обуславливающих большие тепло-влагопотери при непрерывном разогреве по сравнении с порционным.
Изложенное выше привело к мысли о том, что количество тепла, усвоенное бетонной смесью (WTT), может быть более точно определено по средне-объемной температуре t6He которая устанавливается путем непосредственных замеров. Естественно, что при этом должны учитываться условия, при которых определяется t6HB .
Расход электроэнергии, затраченной на нагрев бетонной смеси (W3T), следует также определять путем непосредственных замеров по показаниям электросчетчика.
Экспериментальные исследования, выполненные автором, показали, что в лабораторных условиях. КПД ТВОБС составляет 0,85-0,87, а в производственных условиях Г=0,75-0,85. Нижнее значение получено для температуры наружного воздуха -10С, а верхнее значение - для +15 С. В обоих случаях смесь укладывалась в деревянную опалубку из досок толщиной 30 мм, утепленную листами пенополистирола толщиной 50 мм. Обработка смеси в производственных условиях производилась в установке ТВОБС с наклонной трубой, оснащенной полосовыми электродами (шифр проекта установки БП-03).
Использование в инженерных расчетах полученных значений КПД позволяет не только более точно рассчитывать рабочие параметры установок ТВОБС, но и сопоставлять ТВОБС с другими методами тепловой обработки бетона по таким показателям, как расход электроэнергии и требуемая электрическая мощность.
Установленная электрическая мощность характеризует энергообеспеченность предприятий и строек, а требуемая электрическая мощность (Ртр) является одним из параметров технологического процесса. При сопоставлении ТВОБС с другими методами электротермообработкй бетона будем оперировать Ртр . В технической литературе, например, [70] можно встретить утверждение, что при непрерывном электроразогреве требуется меньшая электрическая мощность по сравнению с порционным разогревом. Это положение обосновывается существенной разницей объемов смеси, подвергаемой разогреву в каждый момент времени: 0,1-0,2 м при непрерывном разогреве и 1-2 м - при порционном. При этом упускается из виду то обстоятельство, что время разогрева при непрерывном режиме составляет 1-3 минуты, а при порционном - 1 0-20 минут.
Оба способа разогрева бетонной смеси (непрерывный и порционный) могут быть охарактеризованы такими параметрами, как техническая производительность (Пт) и удельный расход электроэнергии (\Уэт). По этим параметрам можно определить требуемую электрическую мощность:
Если Пт задать одинаковой для порционного и непрерывного разогревов, то по параметру Ртр эти методы будут отличаться друг от друга только удельным расходом электроэнергии, который может быть определен экспериментально-расчетным путем по приведенной выше методике.
Знание параметров W3T и Ртр позволяет сравнивать ТВОБС, как разновидность метода предварительного разогрева бетонной смеси, с другими методами электротермообработкй бетона. Среди производственников довольно часто встречается мнение, что предварительный разогрев требует гораздо большую электрическую мощность по сравнению с традиционными методами прогрева бетона.
