Прогрев бетона является важной технологической операцией, которая помогает в зимнее время провести работы по бетонированию в принципе, а в летнее время – увеличить темпы строительства. Процедура прогрева бетона в летнее время эквивалентна, в некотором смысле, пропариванию бетона, когда за срок в несколько дней достигается 70% проектной прочности бетона. Суть идеи прогрева бетона проста: использование энергии электрического тока для нагрева проводника. В случае прогрева бетона проводом ПНСВ нагревается сам провод и тепло передает окружающему его бетону. В случае же электродного прогрева проводником электричества выступает сама бетонная смесь. Бетон, как затвердевший материал, является изолятором и ток не проводит. Бетонная смесь проводит ток за счет присутствия в воде ионов различных солей.
Принципиальное отличие прогрева проводом ПНСВ от прогрева электродами – то, что в первом случае можно использовать как постоянный, так и переменный ток, в то время, как во втором – только переменный. Причиной этого является то, что постоянный ток вызывает электролиз и на электродах произойдет, во-первых, выделение компонент электролитов (например, калий), а во-вторых, будет интенсивно образовываться водород и кислород, что приведет к повышению пористости бетона и к другим негативным последствиям.
Для расчета параметров электрода и трансформатора необходимо на первом шаге задать параметры окружающих условий – температура среды и наличие ветра, а также тип электродов: пластинчатые, стержневые или полосковые. Мы здесь рассмотрим принципиальный подход к расчету, не вдаваясь глубоко в детали. Если вам необходимо провести полноценный расчет, вы можете обратиться к нам. После того как определились с типом электродов, необходимо вычислить удельную мощность, которая выделяется при прохождении тока через бетон и сравнить эту мощность с требуемой для достижения нужной температуры в бетоне.
Существует несколько способов расположения электродов, примеры которых приведены на рис 1: пластинчатые электроды, полосовые, стержневые, периферийная схема прогрева.
Рис. 1. Прогрев электродами: a) пластинчатый; b) полосовый; c) стержневой группами; d) стержневой периферийный
Примем далее следующие обозначения:
ρ – удельное электрическое сопротивление бетонной смеси, Ом·м
U – напряжение в цепи, В
b – расстояние между электродами, м
a – ширина полосового электрода, м
α – коэффициент, учитывающий количество фаз тока и равный 3/2 при трехфазном токе и 2 – однофазном
B – толщина бетонной конструкции, м
d – диаметр стержневого электрода, м
h – расстояние между электродами (в плоской группе), м
Для пластинчатых электродов мощность определяется по формуле:
P = U2/(ρ b2) Вт/м3.
Для всех других типов электродов мощность определяется по формуле:
P = U2/(ρ·Z) Вт/м3,
где коэффициент Z зависит от типа электрода и от схемы расположения электродов. В случае полосовых электродов (при сквозном прогреве), выражение для мощности имеет вид
P = U2/(ρ·B2·(1+αb/(πB)·ln(b/2a))) Вт/м3,
при расположении стержневых электродов в шахматном порядке
P = 3,14·U2/(ρ·b2·(π+α·ln(b/πd))) Вт/м3,
при прогреве бетона плоскими группами стержневых электродов выделяемая удельная электрическая мощность
P = 3,14·U2/(ρ·b·h·(π·b/h+α·ln(b/πd))) Вт/м3.
Таким образом, зная требуемую мощность для прогрева бетона, можно определить различные геометрические характеристики электродов и их расположения (в дальнейших статьях мы приведем примеры расчетов на эту тему).
Возникает вопрос – а как определить мощность, необходимую для прогрева бетона? Как было сказано выше, эта мощность зависит от окружающих условий и от режима прогрева. Как правило, необходимо задать – температуру прогрева, скорость разогрева, продолжительность изотермического прогрева (если используется этот режим), скорость остывания. Допустим, что температура бетона в начале прогрева равна +5оС, модуль поверхности бетонной конструкции равен 7 (это означает, что скорость разогрева должна быть не более 10оС), прочность по окончании прогрева должна соответствовать 70% от проектной. По графикам нарастания прочности бетона при различных температурах (см. рис 2) определяем продолжительность прогрева при 80оС – 12 часов. Далее определяем мощности для разогрева и поддержания режима изотермического прогрева:
P1 = Cб·γб·p/3600 + Cоп·γоп·δоп·M·p/7200 + K·M·(tб – tи – 2tв)/2000,
P2 = K·M·(tи – tв)/1000 – Сэкз,
где
Cб – удельная теплоемкость бетона, кДж/кг·K
γб – объемная масса бетона (плотность), кг/м3
Соп – теплоемкость материала опалубк и, кДж/кг·K
γоп – объемная масса опалубки (плотность), кг/м3
δоп – средняя толщина опалубки, м
K – коэффициент теплопередачи опалубки опалубочной системы, Вт/м2·K
M – модуль поверхности,
tб, tи, tв – температура бетона перед началом прогрева, изотермического прогрева, и окружающей среды.
Рис. 2. График зависимости прочности бетона от времени прогрева при T=80C. 1 - бетон М200, 2 - М300, 3 - М400, 4 - М500
