Методы бетонирования с искусственным прогревом
Справочная информация по предлагаемой продукции » Методы бетонирования с искусственным прогревом бетона монолитных конструкций в опалубке » продолжение -> страница 2
Электродный прогрев. Такой способ термообработки наиболее эффективный и распространенный; он основан на использовании тепла, выделяющегося в бетоне при
Рис. 2. Изменение удельного электрического сопротивления бетона p в процессе тверденияp1 — начальное; p2 — минимальное; p3 —расчетное
прохождении по нему электрического тока. Достигается это путем включения свежеуложенной бетонной смеси как сопротивления в цепь переменного тока промышленной частоты с помощью металлических электродов различной конструкции и схем расположения. Благодаря использованию переменного тока явления электролиза в цементном тесте в процессе прогрева практически не происходит. В целях экономии стали стремятся к расположению электродов на наружной поверхности прогреваемой конструкции, что позволяет снять их после окончания прогрева, в случае же внутренней установки электродов расход стали должен быть минимальным. Использование в качестве электродов арматуры прогреваемой конструкции, как правило, не рекомендуется, так как это приводит к увеличению потребляемой электрической мощности, кажению электрического, а следовательно, и температурного поля в бетоне, пересушиванию примыкающих к электродам слоев бетона и, как следствие,— к уменьшению сцепления арматуры с бетоном. Заливка бетона осуществляется при помощи промышленного вибратора ЭВ-116, который комплектуется трансформатором ТСЗИ-1,6-380/42, но возможно и использование электропривода на 220В.Интенсивность и количество выделяемой тепловой энергии при прохождении тока зависят от электрической мощности, напряжения и электрического сопротивления бетона. При твердении бетона, сопровождающемся уменьшением количества жидкой компоненты смеси в результате взаимодействия воды с минералами цемента и частичного ее испарения, удельное электрическое сопротивление бетона р меняется (в течение первых 2—5 ч оно снижается до минимальной величины, а затем начинает возрастать), поэтому напряжение изменяют ступенями с помощью понизительных трансформаторов для сохранения необходимых токовых нагрузок и поддержания режимов прогрева (рис. 2).При расчете электродного прогрева бетона в качестве расчетного параметра ррасч (Ом•см) принимают полусумму величин начального и минимального удельного электрического сопротивления:
В предварительных расчетах, если рнач известно, принимают ррасч = 0,5—0,85 рнач. При достижении бетоном 50—60 % проектной прочности прогрев без увлажнения становится нецелесообразным, так как это связано с большим расходом электроэнергии из-за резкого увеличения сопротивления.Количество тепла (Дж), выделяемого в бетоне при прохождении через него тока, определяют по формуле Джоуля-Ленца:
Q = 3,61• I 2 •R = 3,61UI = 3,61(U 2 /R), (5)
где I — сила тока, A; R — омическое сопротивление участка бетона, Ом; U — напряжение, В.Затрата 1 кВт•ч электроэнергии эквивалентна 3617,57 кДж тепла.В отечественной справочной литературе [2, 6] представлены графики расчета электропрогрева и схемы размещения электродов при термообработке различных конструкций (рис. 3). Графики позволяют:
- по заданному напряжению на электродах U, расстоянию между разноименными электродами b и известному (определенному экспериментальным путем) удельному электрическому сопротивлению р найти величину электрической мощности Р;
- по заданным величинам электрической мощности Р и напряжению U, по известному удельному сопротивлению р найти необходимое расстояние между разноименными электродами b;
- по заданным величинам электрической мощности Р и расстоянию между разноименными электродами b, по известному удельному сопротивлению р найти требуемое напряжение U.
Включать ток при электродном прогреве конструкций необходимо с таким расчетом, чтобы температура бетона не была ниже 3 °С. Установку и подключение электродов (без подачи напряжения) предпочтительно выполнять до начала бетонирования. В зависимости от расположения электродов и места прохождения электрического тока прогрев подразделяют на сквозной и периферийный. При сквозном прогреве ток протекает через массу бетона и тепловая энергия выделяется в теле конструкции. В случае периферийного прогрева ток протекает через бетон между электродами, установленными по наружной поверхности конструкции, и бетон прогревается при передаче тепловой энергии от периферии во внутрь конструкции, а также за счет экзотермии цемента.Для осуществления электропрогрева бетона применяют пластинчатые, полосовые (ленточные), стержневые, струнные, а также кольцевые типы электродов. Выдерживание требуемого расстояния между электродами и арматурой достигается применением различных изоляторов — цементных, пластмассовых, текстолитовых, а также деревянных реек, удаляемых по мере укладки бетонной смеси и ее уплотнения.По месту установки электроды подразделяют на внутренние и поверхностные. Внутренние электроды, оставляемые в бетоне
Рис. 3. Графики для расчета периферийного прогрева при одностороннем размещении полосовых электродов для толщины бетона соответственно 5 см (а), 10 см (б)
после прогрева, подразделяются на стержневые, струнные и плавающие. Стержневые электроды представляют собой короткие стержни из круглой стали диаметром 6—12 мм, располагаемые в теле бетона перпендикулярно поверхности конструкции непосредственно через открытые поверхности или через отверстия, просверленные в опалубке (рис. 4). Для удобства присоединения электропроводов электроды выпускают из опалубки на 8—15 см. Стержневые электроды применяют при прогреве любых конструкций, особенно конструкций сложной конфигурации, со значительной толщиной (в этих случаях применять полосовые или пластинчатые электроды не представляется возможным). Наиболее целесообразно применять стержневые электроды в виде плоских электродных групп, обеспечивающих достаточную равномерность температурного поля (рис. 5).Чем меньше расстояние между одноименными электродами в плоской группе, тем равномернее температурное поле, но больше расход металла на электроды, больше и трудоемкость их установки и подключения. При прогреве конструкций с весьма густой арматурой, когда невозможно использовать
Рис. 4. Электропрогрев железобетонных конструкций при помощи стержневых электродов1, 2, 3 — электроды, присоединяемые к фазам I, II, III
плоские группы, применяют одиночные стержневые электроды, размещаемые в шахматном порядке на равных расстояниях (b = h). Однако такое размещение приводит к значительной неравномерности распределения температурного поля в бетоне.Недостатком стержневых электродов является то, что после прогрева электроды остаются в бетоне, т. е. появляются безвозвратные потери металла. К стержневым относятся и так называемые «плавающие» электроды — стальные прутки, располагаемые на глубине 3—4 см в бетоне конструкций малой толщины — подливок, подготовок и т. п., либо при периферийном прогреве верхних неопалубленных поверхностей массивных конструкций.Расчет прогрева конструкций с использованием стержневых и плавающих электродов производится по графикам, приводимым в специальной справочной литературе [2].Струнные электроды имеют вид струн длиной 2,5—3,5 м, выполненных из арматурной стали диаметром 12—16 мм. Устанавливают их в конструкции и натягивают перед бетонированием параллельно продольной оси конструкции отдельными звеньями, а концы выводят наружу. Электроды подключают
Рис. 6. Установка струнных электродов в колоннеа— схема установки; б — разрез колонны; 1 — струнные электроды; 2— арматура; 1ф, 2ф — фазы
к разным фазам электрической цепи после укладки бетонной смеси (рис. 6, а). И в этом случае плотность заливки не на последнем месте. Применение вибраторов для бетона позволяет добиться необходимой плотности заливки. Применяя вибронаконечники различных диаметров и гибкий вал разной длинны, производительность процесса заливки резко возрастает.При прогреве конструкций прямоугольного сечения с четырьмя продольными арматурными стержнями в углах струнный электрод, устанавливаемый по оси конструкции, подключают к одной фазе, а арматурный каркас — к другой (рис. 6, б). Струнные электроды применяют для прогрева протяженных бетонных конструкций (колонны, балки, прогоны и др.), длина которых во много раз больше размеров их поперечного сечения.При установке электродов тщательно следят за тем, чтобы не допускать их смещения и соприкосновения с арматурой, так как при соприкосновении электродов разных фаз произойдет короткое замыкание. Открытые поверхности по окончании бетонирования и установки электродов укрывают изоляционными материалами, поскольку прогрев бетона с неукрытыми поверхностями не допускается. Способ установки электродов и расстояния между ними указываются в проекте. Расчет прогрева можно производить по графикам, приводимым в специальной технической литературе.Поверхностные электроды, снимаемые после прогрева бетона конструкций, подразделяют на пластинчатые и полосовые. Пластинчатые электроды представляют собой пластины, которые располагают снаружи бетона на двух противоположных плоскостях прогреваемой конструкции. Расстояние между ними не должно превышать 40 см. Изготавливают пластинчатые электроды из стали толщиной 3—4 мм. Крепят электроды к опалубке, которую в месте их установки изолируют. В качестве электродов разрешается использовать металлические щиты опалубки. Пластинчатые электроды используют для прогрева неармированных конструкций, а также конструкций с негустой арматурой — колонн, стен, перегородок и т. п.Полосовые электроды также располагают снаружи бетона прогреваемой конструкции, что позволяет исключить бросовые расходы металла. Изготавливают электроды шириной 2—5 см из кровельной или полосовой стали толщиной 1—2 мм. Крепят их к деревянной опалубке на определенном расстоянии друг от друга. Электрический ток проходит между соседними разноименными электродами, главным образом в периферийном слое бетона, толщина которого составляет около половины расстояния между соседними электродами.Периферийный прогрев конструкций толщиной менее 30 см, как правило, осуществляют полосовыми электродами с односторонним расположением при негустой арматуре; при толщине от 30 до 80 см (ленточные фундаменты, колонны, балки, перекрытия)—полосовыми электродами с двусторонним размещением, а более массивных — с размещением на всех поверхностях конструкций.При периферийном прогреве массивных конструкций с расположением электродов по периметру соблюдают дополнительные условия:
- температура периферийных слоев бетона не должна превышать температуру в ядре конструкции;
- температурные градиенты в сечении не должны превышать 0,15°С/см. При распалубливании этих конструкций учитывают перепады температур между ядром и поверхностью, а также между поверхностью и наружным воздухом.
С целью экономии металла для сквозного прогрева бетона применяют полосовые электроды с двусторонним расположением вместо пластинчатых.Выдерживание температуры бетона в соответствии с заданным режимом электротермообработки осуществляют следующими способами:
- изменением величины напряжения, подводимого к электродам;
- периодическим включением и отключением напряжения на электродах;
- отключением электродов от сети по окончании подъема температуры.
Выдерживание заданного режима может осуществляться автоматически и вручную. Во всех случаях температура бетона является основным параметром, по которому регулируются подача электроэнергии и заданный режим.Электродный прогрев армированных конструкций производят при пониженных напряжениях тока — 50—127 В, что позволяет обеспечить более точное соблюдение заданного режима выдерживания бетона. Использование напряжения 220 В и максимально допустимого — 380 В разрешается для прогрева неармированного бетона конструкций при наличии надежного ограждения, установленного на расстоянии не менее 5 м от прогреваемой конструкции. В сырую погоду и во время оттаивания любые виды электропрогрева прекращают.Область применения электродного прогрева ограничена трудностью обеспечения равномерного температурного поля в густоармированных конструкциях, конструкциях с большим количеством закладных деталей, стыков толщиной менее 50 мм и в случае применения металлической опалубки. Этот недостаток удается устранить путем применения индукционного нагрева бетона.Все работы, связанные с электропрогревом бетона, выполняют в соответствии со СНиП III-4—80 «Техника безопасности в строительстве».Индукционный нагрев бетона. Этот способ нагрева основан на использовании тепла, выделяемого от прохождения вихревых токов в металлической опалубке и арматуре нагреваемой конструкции, находящихся в электромагнитном поле индуктора (многовитковой катушки), через который пропускают переменный ток промышленной частоты напряжением 36—126 В. Тепло от арматуры и металлической опалубки передается бетону и нагревает его.Индукционный нагрев применяют в основном для термообработки бетона конструкций небольшого сечения: колонн, ригелей, балок, элементов разных конструкций; стыков конструкций; сооружений, возводимых в скользящей, подъемно-переставной и катучей опалубках. Использование индукционного нагрева позволяет за 12—28 ч получать бетон прочностью 50—70 % от R26.Интенсивность термообработки при индукционном нагреве не зависит от электрофизических свойств бетона, а определяется электрическими и магнитными свойствами источников тепла, т. е. напряженностью магнитного поля и магнитными свойствами арматуры и металлической опалубки. Также непоследнюю роль играет качество заливки бетонной смеси, при которой применяют ручные вибраторы ЭВ-116, ЭП-210.Расчет параметров индукционного нагрева заключается в определении числа витков N и силы тока I в индукторе, которые обеспечивают при заданном напряжении U соблюдение принятого режима прогрева конструкций и подсчитываются по формулам:
N=U/ZH; (6) I = Hh/N, (7)
где h — высота индуктора, см; Н — напряженность магнитного поля индуктора, А/см (определяется в зависимости от удельной мощности теплового источника); Z — общее сопротивление системы «индуктор—загрузка», Ом: (r — активное сопротивление системы, — индуктивное сопротивление системы, Ом); по найденной величине силы тока подбирают сечение проводов индуктора.В зависимости от вида и конструктивных особенностей железобетонных конструкций термообработка их индукционным нагревом может осуществляться двумя принципиально отличающимися способами: по схеме индуктивной катушки с железом и по схеме трансформатора с сердечником (рис. 7, 8).Более широко применяется схема индуктивной катушки с железом. При такой схеме обмотку устраивают из изолированных проводов с медной или алюминиевой жилой марок ПРГ и АПРГ, наматываемых на деревянные шаблоны, установленные на наружных гранях конструкции. Обмотку присоединяют к трансформатору. Прогреваемая конструкция находится в полости индукционной обмотки, выполненной в виде цилиндрического или прямоугольного соленоида. Тепло выделяется стальной опалубкой или арматурой, направление которой совпадает с осью соленоида. Скорость подъема температуры бетона в зависимости от модуля поверхности, степени армирования и материала опалубки колеблется от 5 до 15 град/ч. По достижении бетоном расчетной температуры напряжение либо отключают, и бетон выдерживают методом «термоса», либо переходят на изотермическое выдерживание. Для этого индуктор переключают на более низкое напряжение или переводят на импульсный режим работы, т. е. периодически включают и выключают напряжение.Достоинствами метода индукционного нагрева являются: равномерность нагрева конструкций по длине и сечению; возможность предварительного отогрева арматуры и металлической опалубки (до укладки бетонной смеси в опалубку) без привлечения дополнительных источников тепла; исключение бросовых расходов металла (на электроды). Расход электроэнергии при индукционном нагреве составляет 120—150 кВт•ч/м 3 бетона, т. е требует, как правило, увеличения затрат и повышенного расхода электроэнергии по сравнению с другими способами электротермообработки.Многолетний опыт использования методов прогрева бетона в суровых зимних условиях при большом объеме бетонных
Рис. 7. Схема расположения источников тепла при индукционном нагреве железобетонных конструкций
Рис. 8. Схема устройства для индукционного нагрева монолитного оголовника сваи инвентарным индуктором1 — инвентарный индуктор;2 — монолитный бетонный оголовник сваи; 3 — провод электрический изолированный; 4 — стальной кожух; 5 — асбестовая изоляция; 6 — брезент; 7 — свая; 8 — пояс; 9 — инвентарная стальная опалубка
работ и повторяющихся конструктивных элементах, значительные трудовые и материальные затраты при штучном монтаже и демонтаже нагревательных элементов привели к созданию целого ряда инвентарных унифицированных греющих и термоактивных опалубок.