КРЫЛОВ Б.А., АРУОВА Л.Б. Комбинированная гелиотермообработка железобетонных изделий в Республике Казахстан
С сожалением приходится констатировать, что исследования по такому интереснейшему направлению, как гелиотехнология, после 1990 г. в России были прекращены, и только в Казахстане под научным руководством НИИЖБа эта технология начала развиваться, в том числе для круглогодичного применения. Этот опыт будет весьма полезен для южных районов России.
В Республике Казахстан строительство развивается быстрыми темпами и идёт по двум направлениям - полносборное и монолитное. Для этого в республике существует хорошая индустриальная база, созданная ещё в Советском Союзе, и она продолжает развиваться.
Промышленность сборного железобетона является крупным потребителем тепловой энергии, а наиболее энергоёмкий технологический процесс, на который расходуется более 70% энергии, - тепловая обработка изделий. Южные районы республики отличаются сухим жарким климатом с большой солнечной радиацией. С целью сокращения энергозатрат на производство сборного железобетона в этих районах целесообразно использовать энергию солнца. Поэтому, по сравнению с применяемыми в этих условиях традиционными способами тепловой обработки бетона, главным образом паропрогревом, самыми рациональными являются методы гелиотермообработки.
Несмотря на реализацию мероприятий по увеличению продолжительности периода эксплуатации гелиополигонов и расширению номенклатуры изготовляемых на них изделий, гелиотермообработка сборного железобетона до сих пор остается сезонной. Исследования НИИЖБа, ВНИПИТеплопроекта, ЦНИИС Минтранстроя, ЦНИИОМТП показали, что гелиотермообработка бетона может быть круглогодичной. Обширные исследования НИИЖБа совместно с Кызы- лординским государственным университетом, выполненные за последние десятилетия, дали возможность предложить современные круглогодичные технологии термообработки бетона с применением солнечной энергии совместно с дополнительно дублирующими источниками тепловой энергии - комбинированную гелиотермообработку изделий. В этом случае круглогодично обеспечивается суточный цикл оборачиваемости форм, достигаются высокое качество сборного железобетона и значительная экономия топливно- энергетических ресурсов.
Поступление солнечной радиации к бетону изделий осуществляется через светопрозрачное покрытие, а тепловая энергия от дублирующих традиционных теплоносителей (пара, электроэнергии) дополнительно подводится к изделиям. Сущность комбинированной гелиотермообработки состоит в оптимальном сочетании воздействия на твердеющий бетон изделий солнечной радиации и регулируемого подвода дополнительной тепловой энергии от дублирующих источников при обеспечении суточного технологического цикла. При этом дефицит солнечной энергии, недостаточной для тепловой обработки изделий, восполняется путём регулируемой подачи тепла от традиционных источников. При комбинированной гелиотермообработке обеспечивается эффективное использование солнечной энергии в весенне-осенний и даже в зимний периоды года. Предпочтительный вид дополнительного источника теплоснабжения гелиоформ (наиболее мобильный) - электрическая энергия, т.е. используется комбинированная гелиоэлектротермообработка бетона (КГЭТО).
Были разработаны и внедрены способы КГЭТО для сухих жарких условий Республики Казахстан в г. Кызылорда. За основу был принят способ гелиотермообработки железобетонных изделий в светопрозрачных камерах из полимерных материалов с использованием плёнкообразующих составов. Этот способ обеспечивает получение бетона высокого качества с требуемой прочностью при значительной экономии топливно-энергетических ресурсов.
При реализации первого способа плоские электронагреватели в виде ТЭНов устанавливались в поддоне гепиокамеры под формой изделий, а гелиотермообработка идет с использованием солнечной энергии и электрообогрева. По второму способу греющий нагревательный элемент устанавливался непосредственно на форму с бетоном, через которую подводится дополнительное тепло, и одновременно используется солнечная энергия. При использоваии третьего способа свежеуложенный бетон, покрытый плёнкообразующим составом, помещали в гелиокамру, снабженную термоэлектронагревателями, расположенными в нижней части камеры, а сверху размещали греющие нагревательные элементы. Во всех случаях изделия прогревались комплексно, за счёт поглощения солнечной энергии и дополнительно дублирующих источников энергии, со значительным участием экзотермии цемента в течение светового дня.
Были рассмотрены и теоретические аспекты использования солнечной энергии: влияние температур- но-влажностных факторов на структурообразование бетона, тепломассообмен при гелиотермообработке, режимы гелиотермообработки.
Исследования пластической усадки тяжёлого бетона в зависимости от температурно-влажностных условий твердения подтвердили эффективность комбинированной гелиотермообработки, по сравнению с бетонами, твердевшими без ухода. При этом максимальная пластическая усадка бетона, твердевшего при комбинированной гелиотермообработке, за 6 ч твердения составила 0,4-0,6 мм/м, тогда как усадка образцов, твердевших без ухода, превысила 5 мм/м.
С увеличением содержания и размера крупного заполнителя в бетоне максимальная величина его внешней пластической усадки снижается, однако перенасыщение бетона щебнем или гравием, также, как и применение заполнителя повышенной крупности, повышает количество дефектов в структуре бетона. Увеличение модуля открытой поверхности и уменьшение массивности бетонных элементов приводит к значительному возрастанию величины и скорости протекания пластической усадки. Технологическими приемами можно в значительной степени снизить максимальную величину пластической усадки и смягчить таким образом её отрицательное влияние на основные физико-механические свойства затвердевшего бетона, однако полностью её исключить невозможно.
При тепловой обработке надо стремиться, чтобы градиенты температуры и влажности были минимальными или ниже предельных, при которых начинаются заметные структурные нарушения в бетоне. Значения предельных градиентов зависят от степени затвердения (зрелости) и других факторов и могут определяться опытным путём. При комбинированных методах гелиотермообработки они составили 0,7-1,1°С/см.
Благоприятные влажностные условия твердения и мягкий режим прогрева бетона при гелиотехнологии изделий должен положительно сказаться на формировании структуры и физико-механических свойствах бетона. В этой связи представляло интерес изучение особенностей структуры и основных свойств бетона, подвергнутых различным способам гелиотермообработки. Исследования минерально-фазового состава и степени гидратации цементного камня бетона, прошедшего гелиотермообработку, осуществлялось методами рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре, также применялись методы микроскопического и электронно-микроскопического анализа.
В результате проведенных структурных исследований можно заключить, что бетоны, подвергнутые комбинированным методам гелиоэлектротермообработки, характеризуются в основном плотной структурой растворной части и хорошим сцеплением крупного и мелкого заполнителя с цементирующей массой. Эти бетоны характеризуются также повышенным содержанием в растворной части равномерно распределенных мелких по размеру пор и более высокой степенью гидратации, в отличие от бетонов, подвергнутых гелиопрогреву вне светопрозрачной камеры.
Анализ режимов комбинированной гелиотехнологии бетона и оценка его физико-механических свойств с целью определения оптимального режима проводился с помощью различных температурных датчиков и самопишущих приборов, замеров температур верхней и нижней поверхностей изделий. Результаты исследований температурных полей образцов и реальных изделий показали, что их прогрев осуществлялся до достижения бетоном в суточном возрасте 50-70% R28 по мягким режимам, при которых скорость подъема температуры бетона составляет 5-7°С/ч, длительность условной изотермической выдержки при максимальной температуре 60-70°С - 5-7 ч, а остывание до температуры 35-50°С происходило со скоростью 1,5- 2,5°С/ч в зависимости от массивности изделия, температуры окружающей среды и других факторов.
Были проведены исследования физико-технических характеристик бетонов при комбинированных методах гелиотермообработки - прочности, модуля упругости, сцепления с арматурой, морозостойкости.
Кинетика роста прочности цемента и бетона в значительной степени зависит от температурно-влажностных условий твердения. Установлено, что все бетоны, подвергнутые комбинированным способам гелио- термообработки, имеют прочность на сжатие и растяжение при изгибе выше прочности пропаренных бетонов, что можно объяснить более благоприятными режимами прогрева при более низких температурах. Что касается расхода электроэнергии при первом способе, он составил 7,6 кВтч/м3, при втором способе 8,6 кВтч/м3 и при третьем способе 10,7 кВтч/м3.
Из экспериментальных данных выявляется четкая взаимосвязь между продолжительностью тепловой обработки и нарастанием прочности бетона в зависимости от длительности поступления солнечной радиации. Полная радиация достигает в летнее время 6,3- 6,8 кВтч/м2, в осенне-весенний период 2,2-4 кВтч/м2. Также существует взаимосвязь между равномерностью формирования температурного поля в бетоне от площади обогреваемой поверхности и толщины изделий.
Так как все виды комбинированной гепиотермообработки проводились по мягким режимам, то по основным структурным характеристикам бетоны нормального твердения и подвергнутые гелиотермообработке схожи. Поэтому проведенные испытания морозостойкости бетонов подтвердили ожидаемые положительные результаты - все образцы выдержали 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания с К=1,05-1,2. Модуль упругости бетонов, подвергнутых комбинированной гелиотермообработке, на 10-15% выше аналогичного показателя бегонов, подвергнутых пропариванию.
Что касается влияния армирования изделий и конструкций на свойства бетона при комбинированной гелиотермообработке, то можно сказать, что ни при одном из перечисленных способов нет нарушений структуры бетона, и, более того, она приближена к структуре бетонов нормального твердения.
При производстве бетонных и железобетонных изделий с применением комбинированной гелиотермообработки с использованием плёнкообразующих составов и светопрозрачных гелиокамер в качестве вяжущих материалов могут быть использованы материалы, отвечающие требованиям ГОСТ 10178-85 и ГОСТ 22266-78.
Принципиальная технологическая схема изготовления железобетонных изделий с гелиотермообработкой и использованием плёнкообразующих составов в светопрозрачных камерах включает следующие операции:
• подготовка форм (очистка их и смазка рабочих поверхностей)
• армирование изделий и установка закладных деталей;
• формование изделий: укладка, уплотнение бетонной смеси и отделка поверхностей
• установка форм с изделиями на гелиополигоне
• нанесение на открытую поверхность плёнкообразующего состава и установка гелиокамер
• гелиотермообработка изделий на открытой площадке до максимальных температур с использованием солнечной энергии и дополнительно дублирующих источников энергии
• оценка прочности бетона изделий в конце цикла гелиотермообработки
• распалубпивание изделий и транпортирование их на пост последующего ухода за бетоном или склад готовой продукции
• приёмка и маркировка готовых изделий.
Подготовка форм и армирование изделий не отличаются от традиционной технологии изготовления железобетонных изделий.
Выдерживание изделий осуществлялось под гелиокрышками, в светопрозрачных камерах. Наиболее просто взаимодействие солнечной и электрической энергии при КГЭТО бетона осуществлять по стендовой технологии. В этом случае форма представляет собой отдельный тепловой агрегат, который хотя и закреплен на определенном месте гелиополигона, но имеет то преимущество, что независимо от номенклатуры изделий обеспечивает для любого из них КГЭТО бетона по индивидуальным тепловым режимам.
Все разработанные методы КГЭТО бетона были успешно внедрены и применяются на ряде заводских полигонов в Республике Казахстан.
Комбинированная гелиотермообработка позволяет без существенных изменений технологии:
• обеспечить круглогодичную эксплуатацию гелиополигонов
• расширить районы и климатические условия их функционирования
• экономить традиционные виды энергии на 95-100% при тепловой обработке изделий в теплое время года, а в осеннее-зимне-весенний период - до 30-40%.
Бетон и железобетон, 2007 №4