ЕЛЕКТРОПРОГРІВ БЕТОНУ І ҐРУНТУ

ТЕМА 19

Ключові поняття: електропрогрів бетону (електродний, індукційний, інфрачервоний, непрямий, електропрогрів поза формою), електропропарювання, електропрогрів грунту.

На теплову обробку бетону витрачається близько 70% часу, необхідного для виготовлення залізобетонних виробів. Тому на практиці застосовують різні методи теплової обробки бетону, що забезпечують зниження часу на цю операцію. До таких методів належить електричне нагрівання як у процесі формування бетонної суміші, так і під час знаходження її у формах. При наявності попереднього електропрогріву бетонної суміші й форм час теплової обробки бетону може бути істотно знижений до декількох годин.

19.1. Електропрогрів бетону

Існує кілька методів електротермообробки бетону.

Електродний наскрізний - електроди розміщені вертикально до товщі бетону. Застосовується для збірних і монолітних фундаментів, стін, блоків. Електродний периферійний - електроди закріплюють в опалубці в спеціальних щитах або термоактивному шарі тирси, змоченої розчином хлористого натрію (№С1). Застосовується для однобічного прогріву конструкцій товщиною більше за 20 см або двостороннього - до 20 см.

Індукційний - вироб розміщається у змінному магнітному полі, утвореному електричною обмоткою, і нагрівається вихровими струмами. Застосовується при прогріві збірних і монолітних конструкцій: колон, балок, рам, стовбурів, труб та ін.

Інфрачервоний прогрів високотемпературними нагрівачами за допомогою ламп розжарювання, трубчастих, дротових та інших нагрівачів. Застосовується для прогріву монолітних конструкцій складної конфігурації і при сушінні виробів.

Непрямий прогрів низькотемпературними нагрівачами за допомогою трубчастих, плоских, струнних та інших нагрівачів, вмонтованих до опалубки або матів. Застосовується для усіх видів виробів.

Інфрачервоний прогрів у камерах з випромінювальними поверхнями. Застосовується при виготовленні плит і панелей.

Електропрогрів бетонної суміші поза формою, при якому суміш у гарячому стані укладається у форму. Застосовується для зведення монолітних конструкцій і при виготовленні виробів у заводських умовах.

Прогрів електродним способом може здійснюватися тільки змінним струмом, тому що постійний струм викликає необоротні хімічні реакції, які змінюють структуру бетону. Опір електричного кола залежить від питомого опору бетону, поверхні зіткнення з бетоном і відстані між електродами. Електропровідність бетону залежить від вмісту в ньому вологи і в міру твердіння бетону зменшується.

Для підтримки розрахункового тепловиділення до бетону вводять різні домішки - СаС1, №С1, що прискорюють твердіння і зменшують опір бетону.

Застосовувані при прогріві електроди підрозділяються на пластинчасті, смугові, стрижневі і струнні (рис. 19.1). Для перших двох видів застосовують покрівельну сталь, для інших - прутки діаметром 5-12 мм. Пластинчасті електроди мають вигляд пластин, що повністю або частково закривають протилежні площини по товщині виробу. Струнні електроди закріплюють уздовж осі довгомірних конструкцій. Відстані між електродами беруть відповідно до рис. 19.1.

Особливо важливим є електро- прогрів у зимовий час. Замерзання бетону в процесі твердіння знижує його міцність, причому тим більше, чим раніше він був заморожений. При досягненні бетоном 50...60% міцності заморожування не впливає на кінцеву міцність бетону. Виходячи з цього вибирають режим прогріву. Тривалий режим застосовують для масивних конструкцій, прискорений - для полегшених конструкцій, проміжний - для інших конструкцій.

Крім того, можливо застосування таких режимів: ступеневий режим з декількома ізотермічними ступенями (застосовують для монолітних попередньо навантажених конструкцій), режим «ізотермічний прогрів і остигання», при якому прогрів здійснюється за методом елект- ророзігріву поза формою (застосовується для монолітних конструкцій), саморегулюючий режим з постійною напругою струму прогріву (для масивних конструкцій), імпульсний режим з поперемінним відключенням струму. Максимальна температура процесу обмежується гранично припустимою для певної марки бетону (звичайно 40-80°С).

Електропрогрів бетону здійснюється за допомогою спеціальних трифазних трансформаторів з масляним охолодженням із зміною напруги ступенями. Поряд з ними можуть бути використані однофазні, в тому числі зварювальні трансформатори, що підключаються трифазними групами. Зварювальні трансформатори розраховані на повторно-короткочасний режим, і їхнє безперервне навантаження при прогріві повинне становити 60-70% номінального.

Електропроводку від знижувальних трансформаторів до місця електро- прогріву виконують тільки ізольованими проводами з кріпленням на дерев'яних опорах, на ізоляторах або спеціальних переносних опорах у вигляді козел. Щоб уникнути втрат у лініях трансформатори повинні розташовуватися якнайближче до електродів у місці прогріву бетону. Контакти сполучних проводів з електродами та іншими проводами забезпечують за допомогою болтів або знімних затискачів.

Перед включенням вторинної мережі трансформатор перевіряють в режимі холостого ходу, при цьому перевіряють також можливість регулювання вторинної напруги. Під час роботи треба стежити за допомогою амперметрів або вимірювальних кліщів за рівномірним навантаженням на фазах.

У міру твердіння бетону його опір зменшується. Для підтримки струму необхідно зменшувати напругу на виході трансформатора.

Вимір температури бетону при електропрогріві роблять термометрами в шпарах, заздалегідь заготовлених, не менше трьох у кожному конструктивному елементі. У перші 5-6 годин температуру вимірюють щогодини, у наступні 18 годин - через 2 години і далі - 2 рази в зміну.

Для електропрогріву бетону, цегельної кладки, оштукатурених поверхонь використовують зовнішні джерела тепла. Електропрогрів виробів з використанням зовнішніх джерел тепла, на відміну від електродного прогріву, відбувається за рахунок тепла, що виділяється поза конструкцією й передається бетону через проміжні матеріали (тирсу, воду, повітря, пар, металеві стінки) або за рахунок випромінювання. Оскільки зовнішній електропрогрів менш економічний, ніж електродний, його застосовують тільки для виробів складної конфігурації.

Прогрів бетону електричними печами опору. В електричних печах опору, застосовуваних для непрямого прогріву бетону, нагрівальним елементом служить ніхромовий або фехралевий дріт. Найпростіша піч, призначена для електропрогріву бетонних і залізобетонних виробів невеликої товщини, являє собою дерев'яну ринву параболічної форми з шпунтованих дощок товщиною 40 мм.

Для прямого електропрогріву використовують інвентарні електрощити. Електрощит являє собою раму з сталевих кутиків, усередині якої на сталевому листі товщиною 1 мм по шару тонкої ізоляції покладений нагрівальний сталевий або ніхромовий дріт. Зверху дріт ізольований листовим азбестом і шаром мінеральної вати товщиною 20-30 мм, захищеним листом дахового заліза. При прогріві кілька таких щитів включаються послідовно. Температуру бетону регулюють включенням у коло різного числа електрощитів.

Для прогріву залізобетонних труб і кілець використовують циліндричні печі з нагрівальною спіраллю, намотаною на шматок асбоцементної труби.

Електропрогрів за допомогою термоактивного шара. Конструкцію, що прогрівається, покривають шаром тирси, змоченої для підвищення електропровідності слабким розчином солі (3-5 %). В тирсу закладають електроди з круглої або смугової сталі, що включаються до мережі. При включенні струму тирса нагріваються й тепло передається конструкції. Для збільшення електропровідності тирси її після засипання злегка пресують. Температура тирси підтримується на рівні 80-90°С. Необхідна потужність в період підйому температури 78 кВт на 1 м бетону, а витрата електроенергії на прогрів такого ж обсягу бетону досягає 120-160 кВт-год.

Прогрів за допомогою термоформ з нагрівальними елементами. При електропрогріві збірних залізобетонних виробів застосовують панелі із струмо- провідної гуми. Електропровідність такої гуми створюється за рахунок великого вмісту в ній сажі. Нагрівальні панелі мають середній струмопровідний шар товщиною 2 мм, в який забиті електроди з латунної сітки або смуги, і два зовнішніх шари із звичайної гуми товщиною 0,5 мм.

Важливою перевагою цього способу є герметизація виробу в процесі його прогріву, що виключає випар вологи з бетону.

Електропропарювання. Парове середовище в пропарювальній камері створюється за допомогою електричних нагрівальних елементів-спіралей або електродів, установлених в нижній частині камери. Потужність нагрівальних пристроїв визначається з розрахунку 7-8 кВт на 1 м виробів, що прогріваються. До нагрівачів подається мережева напруга. Для прискорення нагрівання виробу рекомендується застосовувати замість води 0,5%-ний розчин повареної солі.

Спосіб електропропарювання залізобетонних виробів застосовують для виробів складної конфігурації.

Електропрогрів інфрачервоними променями. При інфрачервоному прогріві, на відміну від інших способів зовнішнього обігріву бетону, забезпечується безпосередня передача теплової енергії від джерела випромінювання до виробу, що нагрівається. Як джерела інфрачервоного випромінювання використовують лампи розжарювання типу ЗН потужністю 300 і 500Вт при напрузі 127 і 220В. Застосовують також звичайні лампи розжарювання потужністю 200500Вт.

Потужність, необхідна для електропрогріву бетону, яка є одним з основних факторів, що визначають вибір електрообладнання і розрахунок живильної мережі, залежить від модуля поверхні конструкції, що прогрівається, температури прогріву, температури зовнішнього повітря, початкової температури бетону, конструкції опалубки, ефективності утеплення й особливо від швидкості розігріву бетону.

Як джерела живлення для електропрогріву застосовують, як правило, трансформатори. При електротермообробці бетону для підтримки заданого режиму застосовують трансформатори із східчастим регулюванням напруги, автотрансформатори й індукційні регулятори. Трансформатори вибирають за потужністю і напругою.

Випускається комплектна трансформаторна підстанція зовнішньої установки КТП-ОБ-63В1, призначена для електропрігреву ґрунту і бетону. У КТП установлений трансформатор ТМОБ-63 номінальною потужністю 63 кВА.

Орієнтовний розрахунок витрати електроенергії (W) і необхідної потужності (Р) для електропрогріву бетону виконують відповідно за формулами

де Wnит - питома витрата електроенергії, кВт-год/м ; - питома потужність на 1 м3 бетону, кВт/м3; V —обсяг бетону, м3.

Питома витрата електроенергії WПИТ (кВт·год/м ) при прогріванні бетону різними способами:

електродний спосіб прогріву ... 120,

індукційний - // - ...150,

інфрачервоний - // - ...200.

19.2. Електропрогрів ґрунту

Електропрогрів ґрунтів застосовують в тих районах, в яких є вільна електрична потужність (наприклад, поблизу потужних гідростанцій).

Існує кілька способів електропрогріву ґрунтів, з яких найбільш зручним, дешевим і безпечним є електродний спосіб з безпосереднім підключенням установок електропрогріву до існуючих електромереж напругою до 380В.

Електродний спосіб полягає в тому, що через ґрунт пропускається електричний струм напругою 220 або 380В. Електропровідність ґрунту залежить від ступеня його вологості, стану й температури, наявності в ґрунті розчинів солей, кислот, від будови ґрунту та ін. Складність структури ґрунту і теплових фізичних процесі у ньому, значно впливають на його електричний опір.

Поверхню ділянки ґрунту, що прогрівається, засипають на 15-25 см шаром тирси, змоченої водяним розчином солі (повареної, хлористого кальцію) або соляної кислоти, що мають призначення проводити струм і утеплювати ґрунт; навіть при напрузі 380В струм практично не проходить через мерзлий ґрунт.

При електропрогріві ґрунту горизонтальними електродами (рис. 19.2,а) тепло передається ґрунту головним чином від шару тирси, що нагрівається, а участь самого ґрунту в колі струму відносно невелика. Тільки незначний верхній шар ґрунту, що прилягає до електродів, включається до електрокола і є опором, в якому виділяється тепло.

Горизонтальні електроди застосовують при відігріванні ґрунту на невелику (до 0,5-0,7 м) глибину, а також в тих випадках, коли вертикальні електроди не застосовують внаслідок малої електропровідності ґрунту або неможливості забивання їх у ґрунт, змішаний, наприклад, з щебенем.

Відігрівання вертикальними електродами (рис. 19.2,6) більш ефективне і застосовується при глибині мерзлого ґрунту більше 0,7 м, а також при малому контакті між горизонтальними електродами і ґрунтом. У жорсткі ґрунти (глинисті і піщані з вологістю більше 15-20%) електроди забивають на глибину 20-25 см, а потім вони осаджуються в міру відтавання ґрунту. При відтаванні на глибину 1,5 м рекомендується мати два комплекти електродів - коротких і довгих. У міру відтавання ґрунту короткі електроди замінюють довгими. Відігрівання ґрунту на глибину 2 м і більше слід виконувати ступенями з періодичним видаленням відталих шарів (при виключеному струмі).

Рис. 19.2 - Електропрогрів ґрунту:

а - горизонтальними електродами: 1 - електроди; 2 - тирса, змочена розчином солі;

3- підведення електроенергії; 4 - верхнє утеплення (толь, мати та ін.); 5 - ґрунт; б - вертикальними електродами: 1 - підведення електроенергії;

2 - тирса з утеплювачем; 3 - ґрунт; 4 - електроди

При вертикальних електродах ґрунт засипають тирсою, яка спочатку служить збудником для прогріву верхнього шару ґрунту. В міру відтавання шари ґрунту включаються до кола, після чого тирса тільки зменшуює тепловтрати ґрунту, що відтає. Замість тирси збудником можуть служити канавки, пробиті зубилом між всіма електродами на глибину 6 см і залиті розчином солі. При покритті поверхні ґрунту, що відігрівається, шаром сухої тирси, як показує практика, влаштування канавок дає дуже гарні результати.

З метою економії електроенергії і максимального використання потужності середня позитивна температура ґрунту, що прогрівається, не повинна перевищувати 2-5°С, в окремих точках - 15-20°С; прогрів необхідно вести ділянками з перервами в живленні їх струмом. Необхідна потужність і витрати енергії при температурі ґрунту 15°С в середньому на кожний кубічний метр становлять 3,5 кВт при витраті електроенергії 30 кВт-год. В останні роки розроблене і впроваджене у виробництво в північних районах відігрівання ґрунту електроенергією напругою до 10 кВ.

У порівнянні з напругою 380 В застосування для електропрогріву мерзлого ґрунту електродів з напругою 10 кВ дозволяє прискорити проведення робіт і скорочує їхню вартість. Потрібна кількість електродів зменшується, а відстань між ними збільшується. Скорочується обсяг підготовчих робіт із занурення електродів у ґрунт. Основна кількість тепла виділяється біля електродів, інша частина ґрунту прогрівається до негативної температури, близької до 0°С за рахунок теплової енергії, акумульованої біля електродів. Ґрунт прогрівається знизу вгору, за рахунок чого зменшуються втрати тепла до атмосфери. Прогрів мерзлого ґрунту до температури -1,5...-0,5°С створює сприятливі умови для його розробки землерийними механізмами, оскільки при повному відтаванні ґрунт примерзає до ковша екскаватора або відвалу бульдозера. Крім того, зволожений ґрунт, вилучений у відвал, змерзається, що викликає додаткові витрати при його навантаженні в транспортні засоби або при зворотному засипанні.

19.3. Техніка безпеки при електропрогріві

Техніка безпеки при електропрогріві мерзлого ґрунту при напрузі до 10 кВ полягає в повному виключенні потрапляння людей і тварин у зону небезпечних крокових напруг. Багаторазовими вимірами встановлені величини крокових напруг у ґрунтах при робочій напрузі на електродах 10 кВ; безпечна крокова напруга 40 В спостерігалася, як правило, на відстані 9...10 м від електродів, які беруть участь у прогріві ґрунту. Напруги вимірялися між вертикальними контрольними електродами, зануреними в ґрунт на 1,5 м і на 5-7 м.

Огородження небезпечної зони електропрогріву передбачає розташування на відстані 15 м від крайніх робочих електродів багатоярусного м'якого мотузкового бар'єра, укріпленого на інвентарних дерев'яних опорах. Кінці мотузок кріпляться до важелів кінцевих вимикачів, встановлюваних на опорах. Кінцеві вимикачі спрацьовують при натягу кожної з горизонтальних мотузкових перешкод, що викликає відключення напруги, яка подається до установки електропрогріву ґрунту.

Контрольні запитання з теми 19

Якими методами здійснюється електротеромообробка бетону?
Які електроди застосовують при прогріві бетону?
Які трансформатори застосовують для електропрогріву бетону?
Як здійснюється прогрів бетону електричними печами опору?
У чому особливості технології електропропарювання бетону?
У чому особливості електропрогріву інфрачервоними променями?
Як здійснюється електропрогрів ґрунту горизонтальними електродами?
Як здійснюється електропрогрів ґрунту вертикальними електродами?
Які основні правила техніки безпеки при електропрогріві?

ЕЛЕКТРОПРОГРІВ БЕТОНУ І ҐРУНТУ