Ю. А. МИНАКОВ, канд. техн. наук (Республика Марий Эл); Н. Н. ДАНИЛОВ, д-р техн. наук, проф., С. М. НАУМОВ, инж. (МИСИ), Режимы кондуктивного нагрева бетона с применением технических средств на основе низковольтных термоэлементов
Предлагается методика проектирования режимов кондуктивного нагрева бетона и назначения на базе разработанной номограммы оптимальной потребной установленной мощности технических средств на основе низковольтных термоэлементов. Подробное описание конструкции и технологии применения технических средств, результаты, полученные при их производственной эксплуатации, опубликованы ранее [1, 2].
Построенная с учетом расчетов на ЭВМ и откорректированная по экспериментальным данным номограмма (рис. 1) определяет динамику изменения электрической мощности технических средств во временных параметрах в зависимости от температуры изотермического нагрева и скорости ее достижения для конкретных железобетонных конструкций и видов цемента.
В температурных (7, °С) и временных (г, ч) координатах отражается и фиксируется удельная относительная оптимальная потребная мощность технических средств, единицей измерения которой является кВт, отнесенный к 1 м2 стального элемента (палубы), служащего источником тепловой энергии.
Полученные с помощью ЭВМ расчетные данные, характеризующие кинетику формирования температурных полей в бетоне монолитных и сборных сооружений и конструкций, выполняемых с применением технических средств на основе низковольтных термоэлементов, были подтверждены экспериментальными производственными исследованиями на натурных конструкциях.
При этом в качестве методической основы были приняты решения задач теплопроводности в критериальной форме с выявлением связи между мощностью источника тепла и кинетикой формирования температурного поля.
Программное обеспечение выполнено для ЭВМ ЕС-1033. Разработаны алгоритмы определения времени выхода контактной поверхности технических средств на изотермическую температуру и расчета параметров термообработки бетона в технических средствах на основе низковольтных термоэлементов, гарантирующих достоверность полученных результатов (рис. 2, 3).
Создание оптимизирующих пакетов программ АСУ способствовало внедрению в производство результатов работы. В связи со сложностью расчетов и необходимостью получения для каждой конструкции множества показателей было разработано программное обеспечение для применения современной электронно-вычислительной техники.
Решение задачи по разработанной авторами методике предполагает определение времени подъема температуры нагрева бетона и выхода на изотермическую температуру, выделяемой стальным элементом мощности для термообработки бетона и времени для достижения этой температуры, а также электрических характеристик, обеспечивающих требуемые энергетические параметры. Конечным результатом являются прочностные характеристики и физикомеханические свойства бетона.
Разработанная методика обосновывает системный комплексный подход при назначении критериальных параметров, необходимых при расчете и конструировании технических
средств на основе низковольтных термоэлементов. Достаточность мероприятий, предусмотренных в методике для соблюдения указанных условий, была проверена и подтверждена на строительных объектах и предприятиях Главмарийстроя [3, 4].
При этом по номограмме можно оперативно определить удельную относительную мощность технических средств, а установленную мощность — по площади контактирующей с бетоном поверхности технических средств. Применение номограммы оперативного назначения мощности технических средств кондуктивного нагрева бетона позволило исключить сложные инженерные расчеты в производственных условиях и значительно сократить время, затрачиваемое практическими линейными работниками для выбора оптимальных режимов термообработки бетонных и железобетонных сооружений и конструкций.
В соответствии с методической схемой постановки экспериментов температура изотермического нагрева на контактирующей поверхности стальная палуба — бетон поддерживается автоматически с помощью блок-приставки.
За время работы было проведено 155 серий экспериментов (по три в каждой) в лабораторных условиях и 158 серий (по три в каждой) в условиях строительных площадок и предприятий стройиндустрии.
Бетонную смесь изготовляли централизованно с применением портландцемента Ульяновского цементного завода с расходом 300...400 кг/м3 и транспортировали на расстояние до 82 км. Применяли бетон классов В15 и В22,5.
При термообработке бетона изотермическая температура на контактирующей поверхности стальная палуба — бетон составляла 60 °С, достигалась через 4 ч после начала термообработки и автоматически поддерживалась постоянной.
При этом температура повышалась за первый час на 15, за второй — на 27, за третий — на 35 и за четвертый — на 45 °С от начальной. Средняя скорость подъема температуры составляла 11 °С/ч.
В центральной части температура к 4 ч термообработки (к моменту достижения изотермической температуры) составляла 25 °С. Анализ динамики температуры в теле конструкции показал, что за первый и второй час она не повышалась, за третий повысилась на 3 и за четвертый — на 10 ° С от начальной. Это позволило предположить, что на четвертом часу нагрева проявляется экзотермия цемента. Максимальная температура бетона в теле конструкции (0,5 м) достигла 49 °С. Скорость подъема температуры в теле бетона составляла в среднем 3,5 °С/ч. Производство работ осуществлялось круглогодично. При этом в зимних условиях температура наружного воздуха изменялась от 0 до -28 °С.
При начальной температуре бетона в конструкции 15 ° С к окончанию термообработки (через 8...12 ч) с учетом последующего выдерживания под слоем теплоизоляции и брезентовым пологом (после распалубливания) при остывании до 0 °С бетон набирал прочность 0,60...0,65 R.2S- В возрасте 28 сут прочность составляла 100...112 % марочной и имела тенденцию к росту.
Расход электроэнергии на 1 м3 бетона при отработанных оптимальных режимах кондуктивного нагрева бетона на основе низковольтных термоэлементов не превышает 60 кВт-ч.
Графическое изображение кинетики изменения температуры в массиве и на контактирующей с бетоном поверхности технических средств, при ее подъеме до изотермической и последующем изотермическом выдерживании при температуре 50...80 °С свидетельствует о наличии корреляционной связи между температурой и продолжительностью кондуктивного нагрева бетона.
Сравнение полученных температурных характеристик показывает, что при приближении точек нагрева к контактирующей поверхности изменение температуры отличается незначительно. Установленные закономерности изменения температуры контактирующей поверхности, характеризующиеся скоростью подъема температуры и ее изотермического выдерживания, есть не что иное, как температурные режимы кондуктивного нагрева, при котором тепловая мощность технических средств на основе низковольтных термоэлементов регулируется скоростью подъема температуры.
При этом подтверждена научная новизна и практическая значимость проведенной работы по отработке оптимальных режимов кондуктивного нагрева бетона с применением технических средств на основе низковольтных термоэлементов.
Значительному повышению технической и экономической эффективности кондуктивного нагрева способствует комплексное воздействие на бетон: сочетание кондуктивного нагрева бетона с применением технических средств на основе низковольтных термоэлементов с другими методами, способствующими интенсификации процессов термообработки бетона и повышению его качества [2].
Выводы
Предложенная методика проектирования режимов кондуктивного нагрева бетона на базе номограммы и инженерных расчетов позволяет оперативно определить в теории и на практике количественные показатели потребной установленной мощности и качественные параметры технических средств на основе низковольтных термоэлементов. Их можно использовать для назначения и корректирования мощностей, прогнозирования прочности бетона, автоматизированного управления технологическими режимами кондуктивного нагрева и качеством бетона.
Научное, методологическое и программное обеспечение с применением ЭВМ гарантирует оптимальные режимы кондуктивного нагрева бетона на основе низковольтных термоэлементов, в том числе с комплексным воздействием на бетон комбинированных методов.
Бетон и железобетон, 1993 №11