XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Бетон – недорогой, популярный материал, используемый в сфере строительства и при ремонте различных сооружений. Чтобы создавать из раствора качественные здания, нужно соблюдение точной рецептуры и способа его приготовления. При строительстве сооружений при отрицательных температурах необходимо пользоваться эффективными способами прогрева бетона.

Раствор получают путем соединения песка, цемента, воды в нужных пропорциях. Минусовая температура негативно действует на гидратацию и застывание бетонного состава. Зимой влага замерзает, что приводит к потере прочности конструкции, и ставит под угрозу дальнейший строительный процесс [1].

Целью исследования является сравнение типов электродов при обогреве бетона в зимнее время, для рационального температурного режима и схватывания.

1. Электродный обогрев бетона

Электродный обогрев один из нескольких вариантов прогрева бетона.Способ электропрогрева бетона основан на использовании выделяемого тепла при прохождении через него электрического переменного тока. Количество тепла, выделяемого в бетоне при прохождении через него тока, определяют по формуле Джоуля—Ленца:

где

I — величина тока, A;

R — омическое сопротивление участка бетона, Ом;

U — напряжение, В.

Для перевода электрической мощности Р в тепловую применяют электрический эквивалент тепла, составляющий 3628,8 Дж/кВт:

Для подведения напряжения используют электроды различной конструкции и схем расположения, между которыми протекает ток. В зависимости от расположения электродов и места прохождения тока прогрев подразделяют на сквозной и периферийный [2].

При сквозном прогреве ток протекает через массу бетона и тепловая энергия выделяется в теле конструкции. В случае периферийного прогрева ток протекает через бетон между электродами, установленными по наружной поверхности конструкции. Бетон прогревается теплопередачей тепловой энергии от периферии внутрь конструкции.

Способ сквозного прогрева применяют для ускорения твердения бетонных и мало-армированных железобетонных конструкций, так как арматура, являясь хорошим проводником, значительно искажает линии тока, создавая неравномерность температурных полей.

Преимущество электродного прогрева заключается в том, что тепло, выделяющееся непосредственно в бетон, позволяет при соответствующих условиях получить равномерное температурное поле и добиться высокого коэффициента полезного действия этого способа.
Электропрогрев применяют не только для ускорения твердения бетона, но и для предотвращения его от замораживания и создания благоприятных условий твердения в зимнее время года. Вместе с тем для получения необходимых технических характеристик бетона при прогреве необходимо создать оптимальные условия для твердения бетона. Схема электропрогрева электродами представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Схема электропрогрева бетона.

Ввиду того что легкие бетоны имеют более высокий коэффициент сопротивления теплопередачи и прогревать их внешними нагревателями затруднительно, вести прогрев их с помощью электродов с выделением тепла в толще конструкции наиболее целесообразно.

1.2 Электроды для прогрева бетона

В установках для электропрогрева бетона применяют пластинчатые, полосовые, стержневые, струнные, а также кольцевые типы электродов [3].

Пластинчатые электроды представляют собой пластины, которые располагают с противоположных сторон прогреваемой конструкции и закрепляют в опалубке, которую в месте их установки нужно изолировать. Размеры электродов должны соответствовать размерам поверхности конструкции. Для создания безопасных условий работы в качестве электродов можно использовать металлические опалубочные щиты. Для этих целей применяют также металлическую палубу щита, изолированную от каркаса. Полосовые электроды изготовляют из кровельной или листовой стали.

При толщине прогреваемых конструкций В, м, расчетном удельном сопротивлении бетона ρ, Ом·м, и напряжении U, В, выделяемая удельная электрическая мощность, кВт/м³,

 

Полосовые электроды представляют собой полосы шириной от 20 до 50 мм, закрепляемые на некотором расстоянии друг от друга на щитах опалубки или накладных щитах при установке на открытых верхних поверхностях. Такие электроды изготовляют из кровельной или листовой стали. Вместо полос при периферийном прогреве применяют также круглые стержни. Применение полосовых электродов позволяет снизить расход металла. Схема размещения полосовых электродов представлена на рисунке 1.2.

 

Рис. 1.2. - Схема размещения полосовых электродов.

а) при сквозном прогреве.

б) при периферийном прогреве.

в) при периферийном двухстороннем прогреве.

Длина электродов (полосовых, стержневых, струнных) не должна превышать величин, при которых напряжение теряется более 5-8%.
Удельная электрическая мощность при сквозном прогреве, кВт/м³, составляет

при сквозном прогреве

при периферийном прогреве

а — ширина электрода;

b — расстояние между электродами.

Стержневые электроды выполняют из круглой стали диаметром 5—8 мм. Их забивают в бетон после бетонирования или закрепляют на опалубке. Для удобства подсоединения электроды должны выступать над поверхностью бетона на 5—8 см.

Стержневые электроды применяют при прогреве конструкций значительной толщины, сложной конфигурации, а также значительной степени армирования, т. е. тогда, когда применить полосовые или пластинчатые электроды не представляется возможным. Схема размещения стержневых электродов представлена на рисунке 1.3.

Рис.1.3. - Схема размещения стержневых электродов

Для увеличения равномерности температурного поля отдельные стержни объединяют в плоские электродные группы.

Удельная электрическая мощность, кВт/м³, в этом случае (при диаметре электрода d) составит

а — коэффициент, равный 1,5 при трехфазном токе и а=2 при однофазном;

h — расстояние между электродами в группе;

b — расстояние между группами электродов.
Одиночные стержневые электроды устанавливают в шахматном порядке. Применяют их при сложной конфигурации конструкций и высокой степени армирования.

Удельная электрическая мощность в этом случае будет равна

Струнные электроды имеют вид струн, выполненных из стали диаметром 6—12 мм. Такие электроды применяют для прогрева протяженных бетонных конструкций (колонны, балки, прогоны, фундаментные опоры и др.) и устанавливают вдоль их оси. Такие электроды натягивают до бетонирования и подключают после укладки бетона.
Струнные электроды диаметром более 8 мм подвешивают к арматуре с помощью изоляционных прокладок или закрепляют со стяжными болтами, пропущенными между поверхностями опалубки. Схема размещения струнных электродов представлена на рисунке 1.4.

Рис.1.4. - Схема размещения струнных электродов

При подключении струн, установленных по оси конструкции , к одной фазе, а металлической опалубки (в исключительных случаях — к арматуре) — к другой электрическая мощность, кВт/м³, будет равна

При армировании конструкций четырьмя продольными стержнями, расположенными в углах,

Для прогрева протяженных конструкций по их длине устанавливают несколько струн, подключаемых к разным фазам.

1.2 Электрическое сопротивление бетона

Интенсивность и количество выделяемой тепловой энергии в бетоне при прохождении тока зависит от электрической мощности, напряжения и электрического сопротивления бетона [4].

Удельное электрическое сопротивление бетона ρ меняется в процессе твердения и прогрева, поэтому напряжение изменяют ступенями с помощью понизительных трансформаторов для сохранения необходимых токовых нагрузок и поддержания режимов прогрева. Характер изменения ρ в процессе твердения бетона показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. - Изменение удельного электрического сопротивления бетона в процессе твердения.

Величина электрического сопротивления ρ зависит главным образом от состава и удельной величины жидкой фазы бетона. При этом значительное влияние на снижение ρ оказывает увеличение расхода цемента и воды.
Удельное электрическое сопротивление тяжелых бетонов равно примерно 5 Ом·м, легких — 8 Ом·м

Величину начального и минимального удельного сопротивления бетона определяют лабораторным путем. Расчетное сопротивление принимают как среднюю величину ρ_нач и ρ_мин. Расчетная величина ρ равна примерно 0,85 ρ_нач у тяжелых и 0,8 ρ_нач у легких бетонов. Характер уменьшения величины удельного электрического сопротивления бетона при введении добавок представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. - Характер уменьшения величины удельного электрического сопротивления бетона при введении добавок.

Добавка	Количество добавки, %, от массы воды затворения
	0	0,5	1,0	1,5	2,0		3
Хлористый кальций	1	0,85	0,70	0,60	0,50	0,40
Хлористый натрий	1	0,80	0,60	0,50	0,45	0,35
Хлористое железо	1	0,88	0,77	0,69	0,62	0,53
Нитрит натрия	1	0,84	0,69	0,58	0,49	0,39
Нитрит кальция	1	0,86	0,72	0,63	0,54	0,48

Заключение

Таким образом, исследование было направлено на сравнения типов электродов, их достоинства и недостатки, области применения, применяющихся при обогреве бетона в зимний период времени.

Литература

1. https://stroy-vibor.ru/articles/progrev-betona-v-zimnee-vremya

2. https://salesbeton.ru/proizvodstvo-betona/progrev-betona-v-zimnee-vremya-tehnologicheskaya-karta

3. https://diam-almaz.ru/journal/article/progrev-betona-v-zimnee-vremya-metody/

4. http://www.arhplan.ru/technology/concreting/elektroprogrev-betona-v-zimnih-usloviyah

Код для цитирования: Скопировать