Искусственный прогрев бетона

Сущность метода искусственного прогрева заключается в повышении температуры уложенного бетона до максимально допустимой и поддержание ее в течение времени, за которое бетон набирает критическую или заданную прочность. Термообработка бетона представляет собой искусственное внесение тепловой энергии в монолитную конструкцию в период ее твердения с целью сокращения периода выдерживания бетона и приобретения им критической или проектной прочности.

Область применения способов теплового воздействия на выдерживаемый бетон распространяется на все разновидности монолитных конструкций с модулем поверхности Мп ³ 10, а также и более массивных, если в последних по тем или иным причинам невозможно достижение в установленные сроки заданной прочности при выдерживании только методом термоса.

Тепловое воздействие на прогреваемый бетон осуществляется несколькими методами, отличающимися друг от друга способами передачи тепловой энергии. Искусственный прогрев базируется на применении следующих методов прогрева: электропрогрев, контактный (кондуктивный), инфракрасный, индукционный, конвективный (использование воздуха или пара).

Электропрогрев основан на выделении внутри твердеющего бетона тепловой энергии, получаемой при пропускании переменного электрического тока через жидкую фазу бетона, используемую в качестве омического сопротивления. Для питания электропрогрева и других способов электротермообработки применяют, как правило, понижающие трансформаторы.

Благодаря омическому сопротивлению пониженное напряжение в электроцепи подводят к прогреваемой монолитной конструкции посредством различных электродов (стержневых, полосовых и струнных), погружаемых в бетон или соприкасающихся с ним по поверхности. Область применения электропрогрева – прогрев монолитных конструкций с модулем поверхности 5…20.

Применению метода должен предшествовать расчет и проектирование электродов, схемы их расположения, подключения к электрической цепи, оптимальных режимов прогрева.

Образующаяся в результате прогрева теплота расходуется на нагрев бетона и опалубки до заданной температуры и возмещение теплопотерь в окружающую среду. Температура бетона при электропрогреве определяется величиной выделяемой в бетоне электрической мощности, которая должна назначаться в зависимости от выбранного режима термообработки и величины теплопотерь, имеющих место при электропрогреве на морозе. Мощность, требуемая для разогрева конструкции с заданной скоростью, складывается из мощности на разогрев бетона, на разогрев опалубки и для возмещения теплопотерь. Расчетная мощность может быть снижена за счет учета экзотермического тепловыделения.

Для подведения электрической энергии к бетону используют различные электроды: пластинчатые, полосовые, стержневые и струнные. К конструкциям электродов и схемам их размещения предъявляются следующие основные требования: мощность, выделяемая в бетоне при электропрогреве, должна соответствовать мощности, требуемой по тепловому расчету; электрическое и, следовательно, температурное поля должны быть по возможности равномерными; электроды следует располагать по возможности снаружи прогреваемой конструкции для обеспечения минимального расхода металла; установку электродов и присоединение к ним проводов необходимо производить до начала укладки бетонной смеси (при использовании наружных электродов).

Преимуществом электродного прогрева бетона по сравнению с другими способами является то, что выделение тепла происходит непосредственно в бетоне при пропускании через него электрического тока. При этом значителен коэффициент полезного действия использования электрической энергии, температурное поле, особенно на стадии разогрева распределяется в бетоне более равномерно. Основные способы электропрогрева бетонных конструкций подразделяются на периферийный, сквозной и внутренний.

При периферийном прогреве электроды располагают по наружному контуру конструкции и прогревают только наружные слои бетона. Ядро конструкции твердеет за счет начального, экзотермического тепла и в меньшей степени зависит от тепла, переносимого из периферийных слоев. Используют пластины и полосы. При конструкциях толщиной до 20 см прогрев осуществляют с одной стороны, при большей ширине – с двух сторон. Способ применим для термообработки плоских бетонных и железобетонных конструкций (стен, перегородок, плит перекрытий, ленточных фундаментов, подготовки под полы, цементных и бетонных полов) с М_п ³ 8. Применяют электроды из полосовой стали толщиной 1...3 мм, нашиваемые на внутренней стороне опалубки. Расход электроэнергии – 80...120 кВт/ч, скорость подъема температуры – до 10ºС/ч.

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 толщину забетонированной конструкции – ленточные фундаменты, стены, перегородки, блоки стен подвалов. Расход электроэнергии на 1 м³ бетона – 80...120 кВт/ч, средняя скорость подъема температуры – до 20ºС/ч.

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

Пластинчатые электроды принадлежат к разряду поверхностных и представляют собой пластины из кровельного железа или стали, нашиваемые на внутреннюю, примыкающую к бетону поверхность опалубки и подключаемые к разноименным фазам питающей сети. Электроды размером на всю плоскость стороны располагают по двум противоположным сторонам бетонной конструкции. Изготовляют пластинчатые электроды из кровельной стали при деревянной опалубке, листовой стали или профилей при использовании в качестве электродов поддонов или бортов металлической опалубки. В результате прохождения тока между противолежащими электродами весь объем конструкции нагревается. Пластинчатые электроды обеспечивают сквозной прогрев конструкций. С помощью пластинчатых электродов прогревают слабо армированные конструкции правильной формы небольших размеров (колонны, балки, стены и др.).

Полосовые электроды изготовляют из стальных полос шириной 20... 50 мм и так же, как пластинчатые электроды, нашивают на внутреннюю поверхность опалубки.

Движение тока зависит от схемы присоединения полосовых электродов к фазам питающей сети. В первом случае, при присоединении противолежащих электродов к разноименным фазам, движение тока происходит между противоположными стенками конструкции и в тепловыделение вовлекается вся масса бетона. Во втором случае, при присоединении к разноименным фазам соседних электродов токообмен происходит между этими электродами. При этом 90% всей подводимой энергии рассеивается в периферийных слоях толщиной, равной половине расстояния между электродами. В результате периферийные слои нагреваются за счет джоулевой теплоты. Центральные же слои (так называемое «ядро» бетона) твердеют за счет начального теплосодержания, экзотермии цемента и частично за счет притока теплоты от нагреваемых периферийных слоев. Первую схему применяют для прогрева слабо армированных конструкций толщиной не более 50 см. Периферийный электропрогрев применяют для конструкций любой массивности.

Одностороннее размещение полосовых электродов применяют при электропрогреве плит, стен, полов и других конструкций толщиной не более 20 см. При этом к разноименным фазам питающей сети присоединяют соседние электроды. В результате реализуется периферийный электропрогрев.

При сложной конфигурации бетонируемых конструкций применяют стержневые электроды (круглая сталь диаметром 6...12 мм), устанавливаемые в бетонную конструкцию или закрепляемые на опалубке. При внутреннем расположении стержней обычно устанавливают их в шахматном порядке через 20...40 см и подключают к электрической сети. Стержневые электроды обычно применяют при невозможности или нецелесообразности использования пластинчатых или полосовых электродов. Электропрогрев бетона с помощью стержневых электродов применяют для конструкций с М_п от 5 до 20. Используют трехфазный электрический ток напряжением от 36 до 110 В.

Наиболее целесообразно использовать стержневые электроды в виде плоских электродных групп. В этом случае обеспечивается более равномерное температурное поле в бетоне. При электропрогреве бетонных элементов малого сечения и значительной протяженности (например, бетонных стыков шириной до 3...4 см) применяют одиночные стержневые электроды.

При бетонировании горизонтально расположенных бетонных или имеющих большой защитный слой железобетонных конструкций используют плавающие электроды – арматурные стержни диаметром 6...12 мм, утапливаемые в поверхность свежеуложенного бетона.

Струнные электроды применяют для прогрева конструкций, длина которых во много раз больше размеров их поперечного сечения (колонны, балки, прогоны и т. п.). В качестве струнных электродов применяют круглую сталь диаметром 6...12 мм, стержни устанавливают и закрепляют вдоль оси длинномерных конструкций. Стержни подключают к одной фазе, а металлическую опалубку (или деревянную с обшивкой палубы кровельной сталью) – к другой. В отдельных случаях в качестве другого электрода может быть использована рабочая арматура.

Количество энергии, выделяемой в бетоне в единицу времени, а следовательно, и температурный режим электропрогрева зависят от вида и размеров электродов, схемы их размещения в конструкции, расстояний между ними и схемы подключения к питающей сети. При этом параметром, допускающим произвольное варьирование, чаще всего является подводимое напряжение. Ток на электроды от источника питания подается через трансформаторы и распределительные устройства.

В качестве магистральных и коммутационных проводов применяют изолированные провода с медной или алюминиевой жилой, сечение которых подбирают из условия пропуска через них расчетной силы тока.

Достоинства метода в том, что его реализация возможна с применением подручных средств – арматуры или листового железа при минимальных потерях тепловой энергии. К недостаткам относят потери части примененного в качестве электродов металла (стержневых электродов), значительная трудоемкость при установке и закреплении электродов в конструкции, вероятность появления температурных напряжений в зоне примыкания бетона к электродам, необходимость регулирования процесса обогрева путем применения понижающих трансформаторов и создания программ такого регулирования, финансовые затраты на оплату материалов и электроэнергии.

Контактный (кондуктивный) нагрев обеспечивает передачу тепловой энергии от искусственно нагретых материалов или тел прогреваемому бетону путем непосредственного контакта между ними. Разновидностями этого способа являются обогрев бетона в термоактивной опалубке или прогрев с применением различных технических средств (греющие провода, кабель, термоактивные гибкие покрытия и др.), которые непосредственно контактируют с обогреваемой средой – бетоном. Способ применяется для прогрева тонкостенных конструкций с модулем поверхности в пределах 8…20.

Способ обогрева бетона в термоактивной опалубке целесообразен при использовании инвентарных опалубок со стальной или фанерной палубой при бетонировании разнообразных конструкций, включая фундаменты, стены, перекрытия. Особенно эффективен способ при возведении конструкций и сооружений, бетонирование которых должно вестись без перерывов, а также конструкций, насыщенных арматурой. Метод обогрева экономически выгоден и технологически целесообразен при использовании разборно-переставной, блочной, объемно-переставной, катучей и скользящих опалубок.

Применение термоактивной опалубки не вызывает дополнительных требований к составу бетонной смеси и не ограничивает применение пластифицирующих добавок. Обогрев бетона в греющей опалубке может быть совмещен с электроразогревом бетонной смеси, с применением противоморозных добавок или ускорителей твердения бетона.

Обогрев бетона конструкции производят после сборки опалубочной формы для бетонирования. Те части конструкции, которые оказываются не перекрытыми термоактивной опалубкой, утепляют гибкими покрытиями (одеялами) из стеклоткани или стекловаты.

Технология бетонирования в термоактивной опалубке практически не отличается от технологии аналогичных работ в летний период. Для предотвращения тепловых потерь с горизонтальных поверхностей при перерывах в укладке бетонной смеси и температуре наружного воздуха ниже –20ºС бетонируемую конструкцию укрывают брезентом или пленочным материалом.

Технические решения, применяемые при реализации этого способа можно разбить на две группы. К первой относятся электрические термоэлементы, которыми можно оборудовать опалубку, в основном с наружной стороны, сделав ее термоактивной. Типовые щиты опалубки, оснащенные термоэлементами, промаркированные и оборудованные необходимыми электрическими разъемами, подключаются к электрической сети по определенной схеме после установки щитов в проектное положение. Типовые щиты изолированы с наружной стороны сплошным слоем пеноуретана или аналогичного теплоизолятора, что гарантирует минимальные теплопотери. В качестве эффективных термоэлементов нашли применение трубчатые электронагреватели (ТЭНы), греющий кабель, листовые графитовые, слюдяные пластинчатые, трубчатые и полосовые нагреватели из нержавеющей стали.

Во вторую группу нагревательных элементов включены закрепляемые в бетонируемой конструкции, и оставляемые в ней нагреватели. Наиболее распространенным решением являются греющие провода с одной железной жилой диаметром 1,1 и 1,2 мм, заключенные в оболочку (часто полиэтиленовую). Провода крепятся с определенным расчетным шагом на арматуре бетонируемой конструкции и отдельными участками в качестве омического сопротивления подключаются к трехфазной электрической цепи через понижающий трансформатор. Нагреваясь при прохождении электрического тока до 50ºС, провода передают контактным путем тепловую энергию окружающему массиву бетона. Данный способ недостаточно эффективен. Не решен вопрос отогрева арматуры и опалубки при укладке в нее бетонной смеси, часты обрывы проводов на всех этапах подготовительных операций. Во время бетонирования и подключения проводов к электросети выясняется, что отдельные участки этой цепи не работают, что приводит к замерзанию этих участков бетонной конструкции. Даже, если электрическая цепь не нарушена, данное решение мало эффективно, так как температура изотермического прогрева не превышает 30 ºС и продолжительность цикла прогрева часто превышает 3…4 сут.

Областью применения электрообогрева нагревательными проводами являются монолитные конструкций с модулем поверхности М_п 6...10, бетонирование которых может производиться при минимальной температуре воздуха до –40ºС.

Сущность электрообогрева нагревательными проводами заключается в передаче выделенного проводами тепла в бетон контактным путем. Провода со стальной токонесущей изолированной жилой, подключаемые в электрическую сеть, работают как нагреватели сопротивления. Нагревательные провода закладываются непосредственно в массив монолитной конструкции.

Обогрев бетона в монолитной конструкции осуществляется закладкой нагревательного провода непосредственно в бетонируемую конструкцию. Нагревательные провода размещают на арматурном каркасе после установки арматуры в проектное положение.

До начала работ по электрообогреву бетона выполняют следующие подготовительные операции: устанавливают арматурные каркасы и сетки; на арматурном каркасе закрепляют нагревательные провода; очищают от мусора, снега и наледи арматуру и опалубку; устанавливают ограждение рабочей зоны и подводят освещение и сигнализацию; устраивают все необходимые электроразводки до трансформатора – электропроводами подсоединяют нагревательные провода к шинопроводу, уложенному вдоль захватки бетонирования, шинопровод подсоединяют к трансформатору. В зоне трансформатора укладывают деревянные настилы, покрытые резиновыми ковриками.

Рекомендуется на участке электрообогрева перед подключением к электросети установить электрокалорифер и саму зону закрыть брезентом.

Основными требованиями для обеспечения нормального обогрева с помощью нагревательных проводов, являются предотвращение механических повреждений изоляции при размещении и закреплении проводов на арматурном каркасе, устранение возможности коротких замыканий токоведущей жилы с арматурой, стальной опалубкой и другими металлическими элементами. Нагревательный провод укладывают в конструкцию без натяжения, в угловых местах, местах возможного перегиба провода устраивают дополнительную изоляцию из рубероида или битумизированной бумаги.

Крепление провода к арматуре производят с помощью скруток из мягкой вязальной проволоки, обрезками изолированного провода, пластмассовыми фиксаторами, скрепками из стальной проволоки, полиэтиленовым шпагатом. Во избежание обгорания изоляции, замыкания на массу и перегорания нагревательного провода, устраивают выводы нагревательного провода из бетона с помощью монтажного провода. Узлы соединения тщательно изолируют. Перед укладкой бетонной смеси проверяют мегомметром отсутствие замыкания шинопроводов на массу.

Диаметр, длина нагревательного провода и шаг его раскладки в конструкции в зависимости от температуры наружного воздуха и электрического напряжения принимаются по расчету.

Укладку бетонной смеси в конструкцию производят только после раскладки нагревательных проводов, подключения их к шинопроводу, проверки работы всей системы обогрева.

Подготовку конструкции к бетонированию и укладку бетонной смеси при отрицательных температурах наружного воздуха можно производить с учетом следующих требований: арматура диаметром 25 мм и более, прокатные профили и крупные закладные детали конструкции должны быть отогреты до положительной температуры, выступающие части укрыты теплоизоляционным материалом; укладку бетонной смеси следует вести непрерывно, без перевалок, обеспечивая минимальное охлаждение смеси при ее подаче и укладке; температура уложенной в опалубку смеси не должна быть ниже +5ºС.

После укладки бетонной смеси горизонтальную поверхность конструкции укрывают гидроизоляционным материалом (полиэтиленовая пленка, пергамин, толь и др.) и слоем теплоизоляции (минераловатные маты, пенополистирол, изовер и др.).

После выполнения всего комплекса этих процессов (проверка правильности подключения всех проводов электроцепи, окончания бетонирования, укладки гидро- и теплоизоляции, ухода людей за пределы ограждения) подают напряжение на нагревательные провода. Электрообогрев рекомендуется проводить при пониженном напряжении 36...100 В.

Во время обогрева бетона необходимо вести наблюдение за состоянием проводов, кабелей и контактов, в случае появления неисправностей немедленно отключать напряжение в системе и устранять неисправности.

Для контактного нагрева бетона преимущественно применяют термоактивные (греющие) опалубки и термоактивные гибкие покрытия (ТАГП). При данном методе используется теплота, выделяемая в покрытии при прохождении электрического тока. Затем эта теплота передается контактным путем поверхностям конструкции. Передача теплоты в самом бетоне конструкции происходит путем теплопроводности.

Греющая опалубка имеет палубу из металлического листа или водостойкой фанеры, с тыльной стороны которой расположены электрические нагревательные элементы. В современных опалубках в качестве нагревателей применяют греющие провода и кабели, сетчатые нагреватели, углеродные ленточные нагреватели, токопроводящие покрытия и др. Наиболее эффективно применение кабелей, которые состоят из константановой проволоки диаметром 0,7... 0,8 мм, помещенной в термостойкую изоляцию. Поверхность изоляции защищена от механических повреждений металлическим защитным чулком. Для обеспечения равномерного теплового потока кабель размещают на расстоянии 10... 15 см ветвь от ветви.

В греющую опалубку может быть переоборудована любая инвентарная с палубой из стали или фанеры. В зависимости от конкретных условий (темпа нагрева, температуры окружающей среды, мощности тепловой защиты тыльной части опалубки) потребная удельная мощность может колебаться от 0,5 до 2 кВт/м². Греющую опалубку применяют при возведении тонкостенных и средне массивных конструкций, а также при замоноличивании узлов сборных железобетонных элементов.

Сетчатые нагреватели (полоса сетки из металла) изолируют от палубы прокладкой асбестового листа, а с тыльной стороны опалубочного щита то же асбестовым листом и покрывают теплоизоляцией. Для создания электрической цепи отдельные полосы сетчатого нагревателя соединяют между собой разводящими шинами.

Углеродные ленточные нагреватели наклеивают специальными клеями на палубу щита. Для обеспечения прочного контакта с коммутирующими проводами концы лент подвергают меднению.

Термоактивное покрытие (ТРАП) – легкое, гибкое устройство с углеродными ленточными нагревателями или греющими проводами, которые обеспечивают нагрев забетонированной конструкции до 50ºС. Основой покрытия является стеклохолст, к которому крепят нагреватели. Для теплоизоляции применяют штапельное стекловолокно с экранированием слоем из фольги. В качестве гидроизоляции используют прорезиненную ткань.

Гибкое покрытие можно изготовлять различных размеров. Для крепления отдельных покрытий между собой предусмотрены отверстия для пропуска тесьмы или зажимов. Покрытие можно располагать на вертикальных, горизонтальных и наклонных поверхностях конструкций. По окончании работы с покрытием на одном месте его снимают, очищают и для удобства транспортировки сворачивают в рулон. Наиболее эффективно применять ТРАП при возведении плит перекрытий и покрытий, устройстве подготовок под полы и др. ТРАП изготовляют с удельной электрической мощностью 0,25...1 кВт/м².