Методика расчета электропрогрева (электродного прогрева) бетонной смеси

Занятие №2. Электропрогрев (электродный прогрев)бетонной смеси.

Цель расчета –определить общую мощность, необходимую для прогрева бетона в заданных условиях и подобрать схему расстановки электродов и подключения к электрической сети.

Контрольные вопросы для самопроверки знаний:

1.В каких конструкциях преимущественно применяется электропрогрев (электродный прогрев) бетонной смеси?

2. В чем заключается суть электропрогревабетонных конструкций?

3. Какие существуют виды электропрогрева бетона?

4. При какой температуре воздуха применяется электропрогрев бетона?

5. Какие существуют типы электродов?

6. В каких конструкциях применяются те или иные типы электродов?

7. Какие типы опалубки преимущественно используются при зимнем бетонировании?

8. При каких операциях происходит суммарное относительное снижение температуры бетонной смеси?

9. Назовите основные способы транспортирования, применяемые при транспортировке бетонной смеси в зимних условиях?

10. При каком проценте набора прочности бетона прочность бетона достаточна для распалубки конструкции?

Область применения

Областью применения электродного прогрева монолитныхконструкций являются монолитные бетонные и малоармированные конструкции. Применение этого метода наиболее эффективно для фундаментов, колонн, стен и перегородок, плоскихперекрытий, бетонных подготовок под полы с модулем поверхности М_п= от 5 до 20 м^–1.

В зависимости от принятой схемы расстановки и подключения электродов электродный прогрев разделяется на сквозной, периферийный и с использованием в качестве электродов арматуры.

Сущность метода

Электродный прогрев– это наиболее эффективный и распространенный способ термообработки. Он основан на использовании тепла, выделяющегося в бетоне при прохождении по немуэлектрического тока. Достигается это путем включения свежеуложенной бетонной смеси как сопротивления в цепь переменного тока промышленной частоты с помощью металлических электродов различной конструкции и схем расположения. Благодаряиспользованию переменного тока явления электролиза в цементном тесте в процессе прогрева практически не происходит.

В целях экономии стали стремятся к расположению электродов на наружной поверхности прогреваемой конструкции,что позволяет снять их после окончания прогрева, в случае жевнутренней установки электродов расход стали должен быть минимальным. Использование в качестве электродов арматурыпрогреваемой конструкции, как правило, не рекомендуется, таккак это приводит к увеличению потребляемой электрическоймощности и к уменьшению сцепления арматуры с бетоном.

Методика расчета электропрогрева (электродного прогрева) бетонной смеси

Дано:

Размеры конструкцииa, b, h; город; месяц; температура изотермического прогрева t_из;  время перевозки τ_тр; высота подъема краном Н_под; марка автомобиля ; время укладки τ_у; тип опалубки; класс бетона; марка цемента; температура бетона конечнаяt_б.к ; температура бетона начальная t_б.н; скорость подъема температуры бетона V_p ; скорость ветра V_в.

Решение:

1. Определяется объем бетона в конструкции:

, м³(1)

2. Рассчитывается поверхность охлаждения конструкции:

, м²(2)

3. Определяетсямодуль поверхности конструкции:

, м^-1(3) ,

где М_п= от 5 до 20 м^–1.

4. Определяется суммарное относительное снижение температуры бетонной смеси при всех операциях: при транспортировании, перегрузке, укладке и уплотнении.

4.1При транспортировании:

 , ºС/ºС (4)

где,  - относительное снижение средней температуры бетонной смеси при транспортировке (см. табл. 1).

4.2 При перемещении краном:

, ºС/ºС (5)

4.3При перегрузке и погрузке  (см. табл. 1).

4.4При укладке и уплотнении:

, ºС/ºС (6)

где, – относительное снижение средней температуры бетонной смеси при уплотнении и укладке (см. табл. 2).

4.5 . Определяется суммарное относительное снижение температуры:

, ºС/ºС  (7)

5. Определяется начальная средняя температура бетоннойсмеси после укладки в опалубку, уплотнения и укрытия:

, ºС (8)

где,  - начальная температура бетона, ºС;

 - температура наружного воздуха заданного месяца, ºС (см. табл. 3).

6. Определяется время подъема температуры ( ):

, ч (9)

где,   – скорость подъема температуры бетона, °С/ч.

7. Определяется средняя температура бетона за периодподъема:

, ºС (10)

8. За время подъема температуры , при средней температуре подъема , по номограмме рис. 1 определяется, какой процент n % наберет бетон от R₂₈(необходимо обратить внимание, что по кривым аи б определяется в сутках)_.

9. Определяется средняя температура остывания бетона:

, ºС (11)

10. Пренебрегая тепловыделением цемента (экзотермия),определяется время остывания бетона по формуле Б.Г. Скрамтаева:

, ч (12)

где,  - объемнаятемплоемкость бетона, кДж/(м³∙ºС), принимается 1,0 – 1,5;

 - плотность бетона, кг/м³, принимается 2400 – 2500;

 – коэффициент теплопередачи опалубки, зависит от конструкции опалубки и скорости ветра V_в(см. табл. 4).

Рис. 1 Кривые набора прочности бетоном при различных температурах его выдерживания: а) для бетона класса В25-30 на портландцементе активностью 400–500; б) для бетона класса В25-30 на шлакопортландцементе активностью 300–400; в) для бетона класса В15-25 на портландцементе активностью 400–500; г) для бетона класса В15-25на шлакопортландцементе активностью 300–400.

11. По номограмме рис. 1 определяется,какой процент n % наберет бетон от R₂₈ за времяостывания  и средней температуре остывания бетона  (необходимо обратить внимание, что по кривым аи б определяется в сутках)_.

12. По той же номограмме (рис.1) определяется время изотермического прогрева τ_из,ч, за которое бетон набирает оставшийся n % от R₂₈до проектной прочности в %, за вычетом набранной прочности за время подъема температуры  и за время остывания .

13. По таблице 5 (в зависимости от типа опалубки) определяется требуемая удельная мощность , кВт/м³в периодподъема температуры, в зависимости от температуры наружного воздуха , скорости подъема температуры бетона , модуля поверхности  и температуры изотермического прогрева .

14. По таблице 6 (в зависимости от типа опалубки) определяется требуемая удельная мощность , кВт/м³в периодизотермического прогрева бетона, в зависимости от температуры наружного воздуха , модуля поверхности  и температуры изотермического прогрева .

15. Определяется мощность установки на период подъематемпературы с учетом сменного потока бетона:

, кВт/м³(13)

Согласно полученной мощности согласно таблице 7подбирается трансформатор, определяется напряжение на входе U_вх(первичное) и на выходеU_вых(вторичное) данного трансформатора.

16. Определяется расход электрической энергии:

, кВт∙ч/м³(14)

17. В зависимости от типа бетонируемой конструкции согласно таблице 8 подбирается тип электродов.

17.1 Согласно таблице 9, по подобранному типу электродов определяется формула для расчета выделяемой удельной мощности , кВт/м³.

17.2 Определяется расчетное удельное электрическое сопротивление бетона:

 , Ом∙м (15)

где,  - начальное удельное электрическое сопротивление бетона, Ом·м (см. табл. 10);

 - минимальное удельное электрическое сопротивление бетонной смеси в процессе разогрева, Ом×м(см. табл. 10).

17.3 Из формулы выделяемой удельной мощности необходимо выразить и определить напряжениеU. Если напряжение U больше, чем максимальное напряжение в трансформаторе U_вых, то необходимо подобрать другой тип электродов и повторить расчет пункта 17.

17.4 По формуле рассчитывается с подобранными характеристиками U и исконструированной схемойрасстановки электродов и подключения к электрической сети.

17.5 Проверяется выполнение условия:

(16)

Если условие соблюдается, подобранная схема остается без изменений. Если нет, увеличивается количество электродов и уменьшается расстояние между ними, либо подбирается другой тип электодов.

Пример расчета

Дано:

Город: Чара; Месяц: январь; Скорость ветра V_p=5 м/с.

Размеры: a=5 м; b=0,6 м; h=2,2 м

Температура изотермического прогрева: t_из=+40 ºС

Время перевозки:τ_тр=8 мин

Высота подъема краном:Н_под=12 м;

Марка автомобиля: МАЗ-503

Время укладки:τ_у = 10 мин

Тип опалубки: V(см. табл. 4)

Класс бетона: В25

Марка цемента: портландцемент М400

Температура бетона конечная:t_б.к=+5 ºС;

Температура бетона начальная: t_б.н=+5 ºС;

Скорость подъема температуры бетона:V_p= 5 °С/ч.

Решение:

1. Определяется объем бетона в конструкции:

м³(1)

2. Рассчитывается поверхность охлаждения конструкции:

м² (2)

3. Определяетсямодуль поверхности конструкции:

м^-1 (3)

4. Определяется суммарное относительное снижение температуры бетонной смеси при всех операциях: при транспортировании, перегрузке, укладке и уплотнении.

4.1При транспортировании:

 ºС/ºС (4)

ºС/ºС∙мин(см. табл. 1).

4.2При перемещении краном:

ºС/ºС (5)

4.3При перегрузке и погрузке:  (см. табл. 1).

4.4При укладке и уплотнении:

ºС/ºС (6)

где, =0,003ºС/ºС∙мин(см. табл. 2).

4.5 . Определяется суммарное относительное снижение температуры:

ºС/ºС (7)

5. Определяется начальная средняя температура бетоннойсмеси после укладки в опалубку, уплотнения и укрытия:

ºС ≈ 10ºС(8)

 = - 33,8 ºС (см. табл. 3).

6. Определяется время подъема температуры ( ):

ч= 0,29 сут. (9)

7. Определяется средняя температура бетона за периодподъема:

ºС (10)

8. За время подъема температуры ч, при средней температуре подъема ºС, по номограмме а)рис. 1 определяется, что бетон наберет 15 %  прочности от R₂₈.

9. Определяется средняя температура остывания бетона:

ºС (11)

10. Пренебрегая тепловыделением цемента (экзотермия), определяется время остывания бетона по формуле Б.Г. Скрамтаева:

ч= 4,86 сут. (12)

принимаем равным 1,05 кДж/(м³∙ºС);

 -принимаем равным 2400кг/м³;

 (см. табл. 4).

11. За время остывания ч, при средней температуре остывания бетона  ºС, по номограмме а) рис. 1 определяется, что бетон наберет 65 % прочности от R₂₈.

12. По той же номограмме определяется время изотермического прогрева τ_из= 6,85 сут = 164,4 ч, за которое бетон набирает 10% от R₂₈, оставшиеся от 90% проектной прочности.

13. Определяется требуемая удельная мощность в период подъема температуры бетона: кВт/м³(табл. 5).

14.Определяется требуемая удельная мощность в периодизотермического прогрева бетона: кВт/м³ (табл. 6).

15. Определяется мощность установки на период подъематемпературы с учетом сменного потока бетона:

кВт/м³(13)

По таблице 7 принимаем трансформатор мощностью 50 кВт типаТМОА-50. Напряжение на выходе U_вых (вторичное)данного трансформатора 49,60, 70, 85, 103, 121 В.

16. Определяется расход электрической энергии:

кВт∙ч/м³(14)

17. Согласно таблице 8подбираем стержневые электроды в виде плоских групп.

17.1При данной схеме включения удельная мощность для подъема температурыот 5 до 40 °С будет равна:

, кВт/м³

где, - расчетное удельное электрическое сопротивление бетона, Ом×м;

α – коэффициент, зависящий от схемы включения бетона в цепь: при трехфазном токе α = 2/3, а при однофазном токе α = 2;

b – расстояние между соседними группами электродов, м (20–40 см);

h – расстояние между одноименными электродами в группе, м (20–40 см);

d – диаметр электрода, м (6–12 мм).

17.2 Определяется расчетное удельное электрическое сопротивление бетона:

Ом∙м (15)

Ом∙м , Ом∙м(см. табл. 10), принимаем Сухоложский завод-изготовитель цемента.

17.3 Из формулы выделяемой удельной мощности необходимо выразить и определить напряжениеU:

где, принимаем  = 0,3 м;  = 0,3 м;d = 10 мм (0,01 м).

α = 2/3, т.к. трехфазное подключение к току.

Принимаем напряжение в большую сторону в соответствиисо списком напряжений принятого трансформатора: U_вых = 85 В.

17.4Определяем удельную мощность для подъема температурыот 5 до 40 °С:

кВт/м³

17.5 Проверяется выполнение условия:

кВт/м³ кВт/м³(16)

Вывод: Условие выполняется, принятая схема расстановки электродов остается без изменений.

Таблица 1

Изменение температуры Δt'_три Δt_ппри транспортировке, перегрузке и погрузке различными автосредствами

Способ транспортирования	Марка или конструкция транспортного устройства	Объем перевозимой бетонной смеси, м3	, ºС/ºС ×мин	, ºС/ºС
Автосамосвалами	ГАЗ-93	1,4	0,0037	0,047
	ЗИЛ-ММЗ-555	2	0,003	0,038
	МАЗ-503	3,2	0,0025	0,032
Автобетоновозами	58141А	3,2	0,00022	0,003
Автобадьевозами	БелАЗ-79202	1,6	0,0009	0,011

Таблица 2

Изменение температуры Δt'_упри укладке и уплотнении

Таблица 3

 Средняя месячная температура воздуха, °C