CC BY
47
Температурные характеристики тепловой и электротепловой обработки при безопалубочной технологии изготовления длинномерных железобетонных изделий
Ю.М.Баженов, С.В.Федосов, А.Н.Кузнецов, А.М.Соколов
Тепловая обработка в производстве железобетонных изделий и конструкций является одной из наиболее ответственных стадий технологических процессов строительной индустрии [1-4], поскольку она в наибольшей степени определяет технико-экономические показатели производственного процесса и сопровождается максимальными рисками в отношении качества готовых изделий [1-6]. К основным способам рационализации режимов тепловой обработки бетона относится исследование характеристик температурных полей в объеме обрабатываемого изделия теоретическими и экспериментальными методами на основе современных представлений и теории тепломассопереноса [6,7]. Оно применимо как при традиционных методах тепловой обработки, так и перспективных, например в случае электротепловой обработки токами повышенной частоты [6-9].
К числу наименее исследованных режимов тепловой обработки следует отнести технологический процесс изготовления длинномерных железобетонных изделий (пустотные плиты перекрытий, забивные сваи, перемычки и т.д.). Такие изделия производятся на стендах длиной около 100 м с помощью безопалубочной технологии с предварительно напряженной арматурой и использованием жесткой бетонной смеси (осадка конуса не более 0,5-1,5 см). Тепловая обработка начинается после завершения формовки изделий и производится посредством подогрева горячей водой металлического полотна (дорожки), на котором они установлены. После обработки и достижения бетоном требуемой механической прочности производится разделка изделий на элементы требуемой длины и формы. Такая технология обладает целым рядом значительных преимуществ (высокие производительность и качество, низкая себестоимость, гибкость и т.д.) и получает все более широкое распространение. Из истории развития строительной индустрии известно, что первоначально эта технология применялась в странах с относительно теплым климатом, где производственные условия существенно отличались от российских.
Для исследования и анализа температурных ее характеристик целесообразно воспользоваться расчетной схемой, представленной на рис.1 (изготовление забивных свай). Теоретической основой исследования является система дифференциальных уравнений взаимного тепломассопереноса в частных производных [5]. Поскольку в ходе тепловой обработки изделия плотно укрыты водонепроницаемым тентовым материалом, можно предположить, что в их материале отсутствует массо(влаго)перенос, а также
барроперенос. В результате при определении изменения температуры вдоль оси I из-за симметрии схемы относительно этой оси (дТ/дх= дТ/ду = 0) система уравнений взаимного тепломассопереноса сводится к одномерному уравнению теплопереноса:
аг_ <з_г
dt dz1
(l)
где Т- температура, Ь - время, а - коэффициент температуропроводности.
Краевые условия для решения уравнения (1) могут быть сформулированы следующим образом:
• температура нагревателя определяется соотношениями
Т(1 = 0, 0 = Тв = ин • • + Твн для о < • < ^ ; (2)
Т(°- С) = T-ttc = const для t < t < t-isc-c ,
(3)
где vt - скорость повышения температуры горячей воды, проходящей через нагреватель (радиатор), Тн - начальная температура нагревателя, Тизот - температура изотермической стадии, tmp - длительность стадии нагревания, tuiom - длительность изотермической стадии;
• температура бетона в начальный момент t=0
Т (z = hH z- H--0) = Тн = const , (4)
где Тн - начальная температура бетонной смеси;
• температура в верхней точке изделия определяется условиями теплопереноса между изделием и окружающей средой, которые описываются следующими соотношениями [4,5,10]:
Р. - Рл + Р< , (5)
где Р--плотность теплового потока, P-k - его конвективная составляющая
Р*к = 2)5• (Тп ~Т0)
1,25
(6)
и Р.- составляющая, обусловленная излучением
Рн = (4.6 + 0,045 • Т0 в • - • Т- (7)
при То - температуре окружающей среды (воздуха), Тп -температуре на верхней поверхности тента, для которого можно также принять £ =0,65, и температуре в верхней точке изделия Ти =Т(1Ь, Ь),= Ь+Ьн, то есть на нижней поверхности тента, связанной с Тп соотношением [5]
Т -Т
р _ ( п _ (
(8)
где ^ = кт/ 1т - сопротивление тепловому потоку, обусловленное материалом тента, кт и Ат - толщина и коэффициент теплопроводности этого материала, Ь - высота изделия, Ьн - глубина залегания нагревателя относительно поверх-
4 2012 101
ности металлического полотна. Для градиента температуры в материале изделия в верхней точке = Ь+Ьн справедливо соотношение [5]
гдТЛ РI
ёга<1Т2к =
дг
(9)
1 /гн лб
где Хб - коэффициент теплопроводности бетона.
С помощью программы Pdeso^ve среды Mathcad с учетом краевых условий (2) - (9) для Ь = 4 ч, Ь = 10 ч, Т = 20 °С,
г «т \ / \ / г-1 нагр г изот ' о '
Тизот = 50 °С выполнены расчеты распределения температуры вдоль оси I в различные моменты времени, результаты которых представлены на рис.2а. Там же отмечены опытные значения температуры, полученные в соответствии со схемой эксперимента на рис.За. Зависимости рис.2а показывают, что в процессе прогрева изделия наблюдается значительная неоднородность температурного поля. Она присутствует даже в стационарном режиме, который достигается лишь к окончанию тепловой обработки (14 ч), то есть возникает теплоперенос от нагревателя в окружающую среду через толщу изделия. При этом температура материала значительно отличается от температуры теплоносителя в меньшую сторону, что отрицательно сказывается на динамике роста прочности бетона и приводит к снижению производительности технологического процесса.
Одним из вариантов устранения этой проблемы является электроподогрев изделия сверху (рис.1, 3а) в сочетании с существующей технологией. В этом случае происходит изменение некоторых краевых условий при решении уравнения
(1): температура в верхней точке изделия, то есть на поверхности электроподогревателя, Тэ=Т(1=Ь+Ьн,Ь) описывается соотношениями
(10)
(11)
где lвв - скорость повышения температуры на поверхности электронагревателя (рис.За). Результаты расчета из-
Тэ = иэ - н + Тн для 0 < н < н^
Т Э — Тнннн нн _ СОПБн для н' ннннр ^ н ^ І ш
Рис. 1. Расчетная схема исследования температурных характеристик
1 - железобетонные изделия (сваи); 2 - металлическое полотно;
3 - нагреватель; 4 - тент; 5 - электронагреватель
102 4 2012
'С
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Т
■ Км г
Ч „Нч
Ч • . ■
6 ч
•
4ч •
2ч .—^
*
50
40
30
20
10
10
15
а)
20
25
Т /
ж 14 ч 10ч
■ 6 ч,
• 4ч • /
2ч г
10
15
20
25
б)
в)
Рис. 2. Температурное поле в материале при различных способах тепловой обработки
а) традиционная технология тепловой обработки; б) традиционная технология тепловой обработки с электроподогревом сверху; в) электротепловая обработка электродным методом токами повышенной частоты 12 кГц. Отсчет! производится от нижней точки изделия
менения температуры вдоль оси z для этого случая указанным выше способом, а также результаты эксперимента представлены на рис.2б. На рис.4 показаны полученные в экспериментах зависимости изменения температуры в различных точках изделия (рис.За) в ходе различных вариантов его тепловой обработки. Полученные результаты (рис.2б, 4) дают основание сделать вывод, что применение электроподогрева сверху, хотя и не позволяет избавиться от неоднородности температурного поля в процессе разогрева материала, практически полностью ее устраняет при достижении стационарного режима. Одновременно значительно повышается температура материала и, следовательно, ускоряется твердение
а)
б)
Рис.3. Схема экспериментов
а) поперечное сечение изделия (сваи) в опытах с использованием традиционной тепловой обработки и традиционной тепловой обработки в сочетании с электроподогревом сверху; б) опыт по электротепловой обработке фрагмента изделия (сваи) электродным методом токами повышенной частоты; Т1-Т4 - точки измерения температуры и ее значения; Тн1-Тн3 - то же в опытах с электроподогревом сверху; Тэ - температура на поверхности электроподогревателя; Тмп - температура металлического полотна
бетона. В результате измерения предела прочности бетона при сжатии неразрушающим методом с помощью прибора ИПС - МГ 4.01 (рис.За) в момент завершения эксперимента (13-14 ч, рис.4) установлено, что величина этого показателя при комбинированном способе тепловой обработки в 1,6-1,8 раза выше, чем при традиционной технологии. Вместе с тем нельзя не отметить, что применение электроподогрева сверху не позволяет заметно ускорить прогрев материала, так как стационарный температурный режим достигается лишь при времени обработки, близком к моменту ее завершения (10-14
ч, рис.2б, 4), как и в предыдущем случае (рис.2а).
Общим недостатком рассмотренных вариантов тепловой обработки (рис.2а,б, За) является наличие значительных температурных градиентов в объеме материала на ранних стадиях тепловой обработки и твердения бетона. Это обусловливает значительный риск повреждения его структуры под действием внутренних напряжений, вызванных температурными градиентами [6]. Практически полностью избавиться от такой опасности можно с помощью электротепловой обработки электродным методом [1,6,8].
Для проверки эффективности такого способа обработки выполнены исследования температурного поля в материале с использованием объекта в виде куба с ребром 300 мм (рис.Зб). Такой объект фактически является фрагментом реального изделия (сваи), вырезанного по сечению А-А. Электроразогрев производился пропусканием электрического тока I через куб в вертикальном направлении, то есть между электродами (алюминиевая фольга 0,3 мм), расположенными на верхней и нижней гранях, под действием напряжения и, приложенного к электродам. Для изготовления образца использовались опалубка из водостойкой фанеры толщиной 12 мм и бетон с производственной линии предприятия. После укладки и виброобработки бетонной смеси опалубка снимается, на противоположные грани фрагмента сваи накладываются электроды, на них подается напряжение (12 кГц) источника питания на основе транзисторного преобразователя мощностью 5 кВт (рис.Зб) и осуществляется электроте-пловая обработка. На протяжении всего эксперимента макет был укрыт двумя слоями полиэтиленовой пленки и тентовым материалом, что в достаточной мере соответствует производственным условиям тепловой обработки. Кроме того, на поверхностях А и А (рис.Зб) была установлена теплоизоляция в виде слоя поролона толщиной 40 мм для того, чтобы значительно снизить теплопроводность через эти поверхности и тем самым имитировать отсутствие теплопереноса вдоль сваи (дТ/дх=0).
Учитывая симметрию объекта (рис.Зб) относительно оси z (дТ/дх= дТ/ду = 0), распределение температуры вдоль этой оси вместо (1) описывается уравнением [5,7]
5Т _ ^ ^ д Т ^ дур , (12)
8t &2 с ■ р
4 2012
103
где с и р - удельная теплоемкость и плотность материала (бетона), qVT - мощность объемного источника теплоты в объеме V материала вследствие преобразования электрической энергии в тепловую, величина которой в каждой точке объема V определяется по формуле [7]
Чп = Е2 • У , (14)
где E - напряженность электрического поля и у - удельная электрическая проводимость материала (бетона) в этой точке. Краевые условия описываются соотношениями
(2)-(9).
Порядок решения уравнения (12) подробно описан в [7], а результаты этого решения для рассматриваемого объекта (рис.Зб) и для t = 3 ч 20 мин, t = 10 ч, Т = 20 °С, Т =
/ гп нагр < изот < о < изот
50°С приведены на рис.2в вместе с экспериментальными значениями.
Полученные зависимости (рис.2в) свидетельствуют о более благоприятном температурном режиме электротепловой обработки электродным методом (рис.Зб) по сравнению с предыдущими вариантами (рис.За, 2а,б). Во-первых, изменяется характер распределения температурного поля (в центре изделия температура выше) и значительно ниже становится его неоднородность, особенно на ранних стадиях обработки; во-вторых, материал разогревается значительно быстрее (в 3-3,5 раза) и его температура при достижении стационарного режима практически по всему объему изделия соответствует требуемому значению Тизот = 50°С. Причем показателями электротепловой обработки в этом случае легко управлять изменением мощности, передаваемой в изделие, и изменением параметров теплоизоляции на его поверхности [6,7]. Улучшение температурных показателей благоприятно сказалось на величине механической прочности бетона. Результаты измерения ее предела при сжатии бетона неразрушающим методом с помощью прибора ИПС - МГ 4.01 показали, что
Г Тв Ч Ти V
Тн1 / ТмЗ ■- ■-я- ш -я
/л Тп
• * • •#
/Л-'’ х X ■ж’ . Ж - ■» • *
ж* * -Х ’
* і і 1
2 \ Начало 4 элоктротвл повой обработки
104 4 2012
на один и тот же момент времени (10-14 ч) величина этого параметра в случае электродного метода (рис.Зб) приблизительно в 2 раза выше, чем при комбинированном способе обработки (рис.3а).
С использованием температурных характеристик (рис.4), а также математической модели для определения предельных значений градиентов температуры в материале в процессе электротепловой обработки [11] были получены зависимости изменения градиентов температуры для всех использованных вариантов тепловой обработки и граничных значений температурного градиента gradT°p и grа(1Т*р, представленные на рис.5. Можно сделать вывод, что во всех случаях тепловой обработки опасные градиенты не возникают, а наиболее безопасным (абсолютно) способом обработки является электродный метод.
В заключение следует отметить, что для окончательного выбора и применения наилучших вариантов усовершенствования технологического процесса изготовления длинномерных железобетонных изделий требуется продолжение исследования показателей и характеристик их тепловой обработки.
Литература
1. Железобетонные и каменные конструкции/ Бондаренко В.М., Бакиров Р.О. и др; под ред. В.М. Бондаренко. М.: Высшая школа, 2007.
2. Афанасьев А.А. Бетонные работы. М.: Высшая школа, 1991.
3. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2003.
"С/см
2
1.5
0,5
ЯгаіІ Г
1 уГ ш •«. 2 /
хз ‘
10
12
Стадия
нагревания
Изотермическая сталия
Стадия
охлаждения
Рис.4. Зависимости изменения температуры в различных точках изделия (рис.За) в ходе различных вариантов тепловой обработки
Рис. 5. Изменение градиентов температуры при электротепловой обработке забивных свай
1 - традиционная тепловая обработка - подогрев полотна с изделием горячей водой (рис.1); 2 - традиционная тепловая обработка в сочетании с поверхностным электроподогревом сверху (рис.За); 3 - электротепловая обработка фрагмента сваи электродным методом (рис.3б);
8г^Тпр
- верхняя граница области абсолютно безопасных значений и ёгаАТпр - нижняя граница области абсолютно опасных значений градиента температуры [11] (получены по условиям электротепловой обработки)
4. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбарцумяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005.
5. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии: монография. Иваново: ИПК «ПрессСто», 2010.
6. Федосов С.В., Бобылев В.И., Соколов A.M. Температурные характеристики электротепловой обработки бетона посредством электродного прогрева // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 56-59.
7. Федосов С.В., Соколов A.M. Методология исследования процессов теплопереноса и показателей электротепловой обработки железобетонных изделий токами повышенной частоты // Academia. 2012. № 2. С. 129-1З5.
8. Федосов С.В., Бобылев В.И., Mитькин ЮЛ., Закинчак Г.Н., Соколов A.M. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. №6. С. 2-7.
9. Aлоян P.M., Федосов С.В., Mизонов В.Е. Теоретические основы математического моделирования механических и тепловых процессов в производстве строительных материалов: монография. Иваново, 2011.
10. Электротехнологические промышленные установки / Евтюкова И.П., Кацевич Л.С., Некрасова Н.М., Свечанский А.Д.; под ред. А.Д. Свечанского. М.: Энергоатомиздат, 1982.
11. Федосов С.В., Бобылев В.И., Ибрагимов A.M., Соколов A.M. Методика расчета предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в процессе электротепловой обработки // Строительные материалы. 2011. №З. С. 44-46.
Literatura
1. Zhelezobetonnye i kamennye konstrukcii/ Bondarenko V.M., Bakirov R.O. i dr; рod red. V.M. Bondarenko. M.: Vysshaja shkola, 2007.
2. AfanasevA.A. Betonnye raboty. M.: Vysshaja shkola, 1991.
3. Bazhenov Ju.M. Tehnologija betona. M.: ASV, 200З.
4. Rukovodstvo po progrevu betona v monolitnyh konstruk-cijah / Pod red. B.A. Krylova, S.A. Ambarcumjana, A.I. Zvezdova. M.: NIIZhB, 2005.
5. Fedosov S. V. Teplomassoperenos v tehnologicheskih processah stroitelnoj industrii: мonografija. Ivanovo: IPK «PressSto», 2010.
6. Fedosov S.V., Bobyljov V.I., Sokolov A.M. Temperaturnye harakteristiki elektroteplovoj obrabotki betona posredstvom elektrodnogo progreva // Stroitelnye materialy. 2011. № 12.
S. 56-59.
7. Fedosov S.V., Sokolov A.M. Metodologiya issledovaniya processov teploperenosa i pokazatelej elekroteplovoj obrabotki zhelezobetonnyh izdelij tokami povyshennoj chastoty // Academia. 2012. № 2. S. 129-1З5.
8. Fedosov S.V., Bobyljov V.I., Mitkin Ju.A., Zakinchak G.N., Sokolov A.M. Elektroteplovaja obrabotka betona tokami razlichnoj chastoty// Stroitelnye materialy. 2010. № 6. S. 2-7.
9. Alojan R.M., Fedosov S.V., Mizonov V.E. Teoreticheskie osnovy matematicheskogo modelirovanija mehanicheskih i teplovyh processov v proizvodstve stroitelnyh materialov: Monografija. Ivanovo, 2011.
10. Elektrotehnologicheskie promyshlennye ustanovki / Evtjukova I.P., Kacevich L.S., Nekrasova N.M., Svechanskij A.D.; pod red. A.D. Svechanskogo. M.: Energoatomizdat, 1982.
11. Fedosov S.V., Bobyljov V.I., Ibragimov A.M., Sokolov A.M. Metodika raschjota predelnyh temperaturnyh gradientov v zhelezobetonnyh izdelijah v processe elektroteplovoj obrabotki// Stroitelnye materialy. 2011. № 3. S. 44-46.
Thermal Performance of the Thermal and Electrical Heat
Processing in Off-Formwork Technology of Manufacture
of Long-Length Reinforced Concrete Products.
By Ju.M.Bazhenov, S.V.Fedosov, A.N.Kuznetsov,
A.M.Sokolov
The comparison of the results of research of the temperature fields in the volume of material in the process of electrical heat processing and traditional heat processing in the manufacture of long-length reinforced concrete products (driven piles), received with the use of theoretical and experimental methods. It is shown that the electrical heat processing ensures significantly better conditions of thermal influence on the concrete than the traditional.
Ключевые слова: тепловая и электротепловая обработка, бетон, железобетон, тепломассоперенос, температурное поле.
Key words: heat and electrical heat processing, concrete, reinforced concrete, heat and mass transfer, temperature field.
4 2G12
1G5
