Электропрогрев бетона

Введение

Бетонирование в зимних условиях является сложной строительной операцией.

Проблемы:

- при отрицательных температурах  процесс гидратации бетона останавливается,

- вода, превращаясь в лёд,  увеличивает свой объём и тем самым разрушает образовавшуюся структуру бетона изнутри.

Поэтому при выполнении бетонных работ в зимнее время для обеспечения нормальных условий твердения бетона используют два основных способа:

• использование внутреннего тепла бетона,
• подача дополнительного тепла извне (сварочный аппарат; электроды; инфракрасные волны).

Самый распространенный из методов термообработки – электропрогрев – обладает мобильностью и простотой, технологичностью и эффективностью, сравнительно низкими потребными мощностями и расходом энергии.

Электропрогрев бетона применяется при бетонировании конструкций при ожидаемой среднесуточной температуре наружного воздуха ниже 5 °С и минимальной суточной температуре ниже 0 °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы

Ток проводится по раствору через специальные металлические  элементы. Электрическая энергия  переходит в тепловую за счет сопротивления смеси. Прогрев бетона осуществляется с применением минимум двух металлических элементов. Они соединяются с противофазными проводами и тем самым обеспечивают протекание тока между собой.

В этом методе происходит выделение теплоты без всяких «посредников» в виде электронагревателей, индукторов и т.д., то есть практически вся используемая электроэнергия расходуется на нагрев непосредственно бетона. Прогрев бетона электродами осуществляется с помощью трансформаторов.

 

Рисунок 1. Схема  электрического прогрева бетона:  
1 – электроды; 2 – бетон; 3 – арматура; 4 – опалубка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды  электродов

Конструкции электродов, схемы  их размещения должны обеспечить требуемую  по тепловому расчету мощность, равномерное  температурное поле, минимальный  расход металла на электроды и  проводов, которые необходимо установить до начала укладки бетонной смеси.

Виды электродов:

• Пластинчатые.

Металлические пластины навешиваются на опалубку с внутренней стороны для контактирования с бетоном. Противоположные пластины подключаются к разным фазам. В бетонной смеси образуется электрическое поле. Под действием электрического поля, бетон разогревается до требуемой температуры.

• Полосовые.

Действуют по тому же принципу, но в качестве электродов применяются  полосы от 20 до 50 мм шириной. Их можно  располагать с двух сторон или  с одной стороны конструкции. В последнем случае, они подключаются поочередно к разным фазам. При этом электрическое поле формируется  в тонком слое бетона, примыкающем  к этим электродам и, соответственно, прогревает смесь в этом слое.

• Стержневые.

Диаметр этих стержней, изготовленных  из арматуры, может быть от 6 до 12 мм. Их размещают в бетоне с расчетным  шагом. Крайний ряд электродов располагают  не ближе 3 см к опалубке. При этом все соседние электроды должны быть подсоединены к разным фазам. Ими  можно прогревать элементы конструкций  сложной формы.

Наиболее целесообразно  использовать стержневые электроды  в виде плоских электродных групп. В этом случае обеспечивается более  равномерное температурное поле в бетоне. При электропрогреве элементов малого сечения и значительной протяженности применяют одиночные стержневые электроды.

• Струнные.

Струнные электроды применяют  для прогрева конструкций, длина  которых во много раз больше размеров их поперечного сечения. В качестве струн применяют круглую сталь  диаметром 6…12 мм, стержни устанавливают  вдоль оси длинномерных элементов, подключают к одной фазе, а опалубку – к другой. В редких случаях  в качестве другого электрода  используют рабочую арматуру.

 

 

 

 

 

Таблица 1. Схемы подключения  различных электродов при электропрогреве бетона.

Электроды	Схема установки  и подключения электродов при  прогреве бетона
Пластинчатые
Полосовые
Стержневые
Струнные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способы электропрогрева бетонных конструкций

Движение тока зависит  от схемы присоединения электропроводов  к фазам питающей сети. При подключении  электродов к разноименным фазам, движение тока происходит между противоположными стенками конструкции и в теплопрогрев вовлекается вся масса бетона, при присоединении к разноименным фазам двух соседних полос теплообмен происходит между ними. 

Способы электропрогрева бетонных конструкций подразделяются на:

- периферийный,

- сквозной,

- внутренний.

1. Периферийный электропрогрев.

При периферийном прогреве электроды располагают по наружному контуру конструкции и прогревают только наружные слои бетона. Ядро конструкции твердеет за счет начальной, экзотермической теплоты и в меньшей степени зависит от теплоты, переносимой из периферийных слоев. Используют пластины и полосы. При конструкциях толщиной до 20 см прогрев осуществляется с одной стороны, при большей ширине – с двух сторон. Применяют электроды из полосовой стали толщиной 1…3 мм, нашиваемые на внутренней стороне опалубки. Расход электроэнергии – 80…120 кВт/ч, скорость подъема температуры – до 20 С/ч.

Рисунок 2. Схемы размещения электродов при периферийном подключении пластинчатыми электродами: 1ф, 2ф – фазы понижающего трансформатора.

 

 

Рисунок 3. Схемы размещения электродов при периферийном подключении полосовыми электродами: 1ф, 2ф, 3ф – фазы понижающего трансформатора.

 

 

Рисунок 4. Схемы размещения электродов при периферийном прогреве массивных конструкций полосовыми электродами: 1ф, 2ф, 3ф – фазы понижающего трансформатора.

 

 

 

 

2. Сквозной электропрогрев.

При сквозном прогреве электроды располагают как внутри, так и на поверхности бетона и осуществляют интенсивный и равномерный прогрев всей конструкции. Используют пластины, полосы, стержни и струны, нашиваемые на внутренней поверхности опалубки. Ток пропускают через всю толщу забетонированных ленточных фундаментов, стен, перегородок и т. п. Расход электроэнергии на 1  бетона 80…120 кВт/ч, средняя скорость подъема температуры – до 20 С/ч.

 

Рисунок 5. Схемы размещения электродов при двустороннем сквозном прогреве: 1ф, 2ф, – фазы понижающего трансформатора.

 

 

 

 

 

Рисунок 6. Сквозной электропрогрев балок и колонн с применением стержневых электродов: I, II, III – фазы тока; 1, 2, 3 – электроды. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Внутренний электропрогрев.

Внутренний прогрев нашел применение для колонн, балок, прогонов и других линейно протяженных элементов. Основан на использовании в качестве электродов рабочей арматуры конструкции и дополнительных струнных электродов, располагаемых в центральной зоне конструкции. Расход электроэнергии 80…120 кВт/ч, средняя скорость подъема температуры до 10 С/ч.

 

 

Рисунок 7. Установка струнных электродов в колонне: 1 – струнные электроды; 2 – арматура; 1ф, 2ф – фазы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Организация электропрогрева

Перед включением напряжения проверяют правильность установки  электродов, качество контактов и  отсутствие замыкания на арматуру. Прогрев ведут при пониженных напряжениях 36…127 В, средний расход электроэнергии составляет 60…80 кВт/ч на 1 м³ железобетона.

Свежеуложенный бетон  является хорошим проводником электрического тока, который, протекая через бетон, нагревает его.

Количество тепла Q, кДж, выделяющегося при прохождении тока I через бетон:

,

где 3,6 кДж – тепловой эквивалент одного Вт∙ч; I – сила тока, А; U – напряжение, В; R – сопротивление, Ом; t – время, ч.

То есть, количества тепла, выделяемого в бетоне, прямо пропорционально  квадрату напряжения U² – одному из параметров, допускающих произвольное варьирование, и обратно пропорционально электрическому сопротивлению прогреваемого элемента R. Но электросопротивление элемента зависит от удельного сопротивления бетонной смеси и способа подведения напряжения, то есть геометрических размеров и конфигурации прогреваемого элемента и электродов, схемы их расстановки и соединения. 

В простейшем случае

,

где r – удельное сопротивление бетона; I и S – соответственно длина и площадь поперечного сечения бетонного элемента.

Удельное сопротивление бетона определяет величину электрической мощности, тепловой режим и режим работы электроустановок, обслуживающих электропрогрев, оно приобретает значение весьма важного технологического фактора, требующего специального рассмотрения.

При затворении цемента водой  в процессе гидратации цемента происходит насыщение его сложными комплексами, среди которых преобладают гидрат окиси кальция и едкие щелочи. Будучи сильными электролитами, они  диссоциируют на ионы металла и гидроксила, создавая тем самым среду, обладающую ионной проводимостью и определяющую проводимость всего агрегата.

В процессе твердения  бетона и в нормальных условиях, и при термообработке удельное сопротивление  претерпевает ряд изменений. Если проследить эти изменения, то можно четко  различить три основные стадии:

1. Понижение удельного  сопротивления с некоторого начального  до какого-то определенного минимального  значения r _min. Объясняется это растворением силикатов и алюминатов кальция и насыщением жидкой фазы продуктами гидролиза окислов калия и натрия и продуктов гидратации.

2. Постепенная стабилизация  удельного сопротивления, связанная  с началом интенсивной кристаллизации  новообразований.

3. Прогрессирующее возрастание  электросопротивления в связи  с формированием кристаллического  каркаса новообразований, уплотнением  структуры цементного камня, нарастанием  механической прочности, уменьшением  объема жидкой фазы с растворенными  электролитами.

Все это зависит от целого ряда факторов, характеризующих с  одной стороны электрофизические  свойства бетона (химико-минералогический состав и активность цемента, состав бетона, расход цемента и водосодержание, наличие и количество добавок электролитов) и с другой – условия его твердения (время предварительного выдерживания, температура и время твердения).

Введение добавок-электролитов приводит к снижению величины удельного  сопротивления и к замедлению процесса его изменения в период твердения.

Задачей электропрогрева является обеспечение условий, необходимых для набора прочности бетона. Чтобы не навредить обогреваемой конструкции, необходимо соблюдать режимы термообработки. Как показала практика, наиболее ответственным является разогрев бетона.

Увеличение скорости разогрева  от 20 ^оС до 60 ^оС/ч опасно для структуры бетона. При скорости разогрева, приближающейся к 60…80 ^оС/ч, структурные нарушения в виде горизонтальных трещин на образцах становятся визуально заметными, а на поверхности изделий появляется «горбушка». Рост деформаций вызывается внутренними давлениями, возникающими вследствие быстрого расширения защемленного воздуха и образующихся паров воды (испарение 1 л воды при 100 ^оС может дать до 2000 л пара), собственным температурным расширением твердых частиц и интенсивным испарением влаги с поверхности бетона при повышенных температурах.

Поэтому, для предотвращения структурных нарушений в бетоне и получения высокого качества бетона, как и при пропаривании, скорость разогрева не должна превышать 20 ^оС/ч.