Электропрогрев бетона в зимних условиях

Общие сведения

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:

гдё 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. 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 малоармированных железобетонных конструкций, так как арматура, являясь хорошим проводником, значительно искажает линии тока, создавая неравномерность температурных полей.

Периферийный же способ применяют для прогрева конструкций с одной стороны при толщине их до 20 см и для прогрева конструкций толщиной более 20 см с двух сторон.

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 и исключить появления деструктивных процессов.

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. Кроме того, электропрогрев уменьшает влажность легких бетонов и улучшает их физико-механические и теплотехнические характеристики.

Электрическое сопротивление бетона

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

Удельное электрическое сопротивление бетона ? меняется в процессе твердения и прогрева, поэтому напряжение изменяют ступенями с помощью понизительных трансформаторов для сохранения необходимых токовых нагрузок и поддержания режимов прогрева.

Величина электрического сопротивления ? зависит главным образом от состава и удельной величины жидкой фазы бетона. При этом значительное влияние на снижение ? оказывает увеличение расхода цемента и воды.

Удельное электрическое сопротивление тяжелых бетонов равно примерно 5 Ом·м, легких — 8 Ом·м. Характер изменения ? в процессе твердения бетона показан на рис. 17-1. В начале твердения с увеличением содержания электролитов в жидкой фазе сопротивление заметно снижается, затем при химическом связывании и частичном испарении воды оно начинает интенсивно возрастать.

Величину начального и минимального удельного сопротивления бетона определяют лабораторным путем. Расчетное сопротивление принимают как среднюю величину ?_нач и ?_мин. Расчетная величина ? равна примерно 0,85 ?_нач у тяжелых и 0,8 ?_нач у легких бетонов.

Удельное сопротивление легких бетонов на пористых заполнителях зависит от тех же факторов, что и тяжелых. Однако из-за интенсивного поглощения жидкой фазы пористыми заполнителями в начальный период сопротивление имеет повышенное значение. При нагреве бетона жидкая фаза вытесняется из заполнителей при расширении в них воздуха и величина ? снижается.

Наличие добавок электролитов в бетоне снижает его электрическое сопротивление (табл. 17-1).

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.

Длина электродов (полосовых, стержневых, струнных) не должна превышать величин, при которых напряжение теряется более 5-8%.

Схема расположения электродов для сквозного и периферийного прогрева бетона показана на рис. 17-2. Удельная электрическая мощность при сквозном прогреве, кВт/м³, составляет

при периферийном прогреве


где 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.

Для увеличения равномерности температурного поля отдельные стержни объединяют в плоские электродные группы (рис. 17-3). Удельная электрическая мощность, кВт/м³, в этом случае (при диаметре электрода d) составит

где 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 (рис. 17-3). 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.

При подключении струн, установленных по оси конструкции (рис. 17-4), 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.

Режимы прогрева бетона

Регулируют электропрогрев по температуре бетонных конструкций. Режимы прогрева должны обеспечить проектную прочность бетона и другие свойства, исключать температурные перепады и неравномерные температурные деформации.

При назначении режимов прогрева нужно учитывать физические изменения бетона и исключать сверхдопустимые деформации, а также остаточное расширение бетона. Режимы прогрева бетона назначают для обеспечения требуемой прочности в зависимости от типа прогреваемых конструкций с учетом состава бетона, активности цемента и других факторов. Прогрев целесообразно вести до получения 50 или 70% прочности бетона от марочной. Если необходимо получить большую прочность, следует увеличить марку бетона сверх проектной.

По расходу электроэнергии наиболее целесообразны режимы с высокой скоростью подъема температуры и максимально допускаемыми температурами прогрева (табл. 17-2). Создать такие режимы можно путем обеспечения благоприятных условий твердения и в случае отсутствия деструктивных процессов при прогреве. Возможность применения жестких режимов для данного типа конструкций и составов бетона следует проверять серией опытного прогрева.

Максимальную температуру прогрева более массивных конструкций выбирают из условия получения равномерного температурного поля и исключения высоких термонапряжений. Прогревать монолитные конструкции с жесткой заделкой и жесткими узловыми сопряжениями допускается при температуре не выше 40°.

Скорость подъема температуры не должна превышать 15 град/ч при прогреве каркасных и тонкостенных конструкций, 10 град/ч — конструкций с модулем поверхности 6 и более, 8 град/ч — то же, с модулем поверхности от 2 до 6. Скорость остывания бетона указана в табл. 17-3.

Необходимую температуру прогрева бетона поддерживают изменением напряжения, периодическим отключением и включением всего прогрева или части электродов. При отсутствии трансформаторов применяют саморегулирующиеся режимы прогрева при постоянном напряжении. Изменение силы тока и выделяемого в бетоне тепла происходит по мере твердения бетона при изменении его сопротивления.

Благоприятно влияют на формирование структуры бетона предварительная выдержка бетона перед началом прогрева при нормальной или пониженной температуре (до 5°С), а также ступенчатый режим прогрева, при котором температура поднимается до определенной величины и при ней происходит изотермическая выдержка с последующим быстрым подъемом температуры. По ступенчатому режиму прогревают особо ответственные конструкции и с предварительно напряженной арматурой.

Хорошие результаты дает импульсный прогрев бетона с переменным по. заданному режиму чередованием импульсов подачи напряжения и пауз между ними. Для снижения мощности прогреваемые конструкции разбивают на группы с последовательной подачей импульсов.

Особенности технологии и контроль

Прогревать бетон нужно в соответствии с проектом производства работ и технологическими картами, в которых должны быть схема установки электродов, перечислены необходимое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура, указаны режимы прогрева, способы крепления и изоляции электродов.

Для сохранения проектного расстояния между электродами, а также между ними, арматурой и металлической опалубкой применяют текстолитовые или бетонные изоляторы, которые подвязывают к арматуре, электродам или опалубке.

Применяют также деревянные рейки, пропитанные маслом, которые извлекают по мере бетонирования. При этом изолируют металлические закладные детали.

Для удобства установки электроды объединяют в группы, связанные жесткими связями.

При установленных электродах бетонную смесь укладывают осторожно, чтобы не сместить их из проектного положения и не загрязнить выводы для подсоединения проводов.

По мере бетонирования все открытые поверхности укрывают теплоизоляционными материалами. Для предотвращения пересушивания бетона открытые поверхности закрывают водонепроницаемыми пленками, а деревянную опалубку пропитывают гидрофобными материалами.

После забивки электродов места вокруг них утрамбовывают или вибрируют для лучшего контакта с бетоном и заполнения пустот. Для плотного прилегания подвергают вибрированию также щиты с электродами, устанавливаемыми на открытые поверхности после бетонирования.

Во избежание трещин нагревание ребристых плит, балок и ригелей ведут с разрывами, бетонируют и прогревают их после остывания ранее прогретого бетона. Разрывы в балках на жестких опорах устраивают длиной не менее 1/8 пролета и не менее 0,7 м; в ригелях многопролетных рам также разрывы оставляют через два пролета при длине рам до 8 м и через один — при большей длине, разрывы в ребристых перекрытиях устраивают в продольном и поперечном направлениях.

Подключать электроды, устанавливаемые по мере бетонирования, можно под напряжением, соблюдая правила охраны труда.

Опалубку и теплоизоляцию демонтируют после прогрева при охлаждении бетона до 5°С, не допуская ее примерзания.

Перепад температур при распалубке не должен превышать 20°С — для конструкций с модулем поверхности до 5; 30°С — то же, при модуле поверхности 5 и выше; 40°С — для бетонных и слабоармированных железобетонных конструкций; 50°С — для конструкций, армированных каркасами или двойными сетками.

При прогреве бетонных конструкций необходим постоянный контроль за напряжением прогрева, силой тока и температурой. Температуру в первые 3 ч прогрева замеряют каждый час, в последующем — через 2—3 ч. Температуру наружного воздуха замеряют три раза в сутки.

Перед бетонированием проверяют правильность установки электродов и их размеры. Перед включением прогрева нужно проверить правильность установки и подсоединения электродов, надежность контактов, расположение датчиков температуры, качество утепления. Надежность контактов проверяют после включения прогрева и переключения напряжения.

Охрана труда

Все работники, занятые на прогреве бетонных конструкций, должны пройти инструктаж и иметь удостоверения о знании правил охраны труда.

Для прогрева применяют напряжение не выше 127 В. Использовать напряжения 220 В допускается для прогрева неармированных конструкций или отдельно стоящих конструкций, не связанных с другими общим армированием.

Открытая арматура, связанная с прогреваемым участком, должна быть заземлена. Зону прогрева нужно надежно оградить и оборудовать системой сигнализации и блокировки.

В сырую погоду и оттепель запрещается прогревать бетон на открытых участках. Поливать его водой разрешается только после отключения прогрева.

В зоне прогрева запрещено пребывание посторонних лиц и ведение других видов работ.

Замерять температуру при включенном прогреве разрешается только при напряжении не выше 60 В, при больших напряжениях прогрев нужно на это время отключать.