автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Влияние электроионных воздействий на свойства бетонной смеси и бетона

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи ЗАВРАШН Алексей Николаевич

УДК 693.54?

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОИОШШХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ й БЕТОНА

Специальность 05.23.05 Строительные материалы

ДИССЕРТАЦИЙ на соискание ученой степени к.

технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.С. Арбеньев

Владимир - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ стр

Введение

Глава Теоретические и практические предпосылки злек- 9 трообработки бетона

1.1 Обзор практики использования электроэнергии 8 для управления процессами твердения

1.2 Развитие злектрообработки бетонной смеси 14

1.3 Опыт виброзлектробетонирования ка стройках 20 г.Владимира

1.4 Анализ исследований по воздействию злектроз- 24 нергии на бетонную смесь и бетон

1.5 Теоретические положения по электроионным воз- 30 дйствиям и задачи исследования

Глава 2. Зависимость свойств бетонной смеси и бетона 38 от электроионных воздействий

2-1 Методика исследовании 38

2.2 Значение момента времени внесения энергии 44

2.3 Учет состава бетонной смеси 50 2-4 Влияние напряженности электрического поля 58 2-5 Роль злектротешювого импульса 68

2-6 Энергия и прочность при электроионном воздей- 74 ствии

Глава 3- Использование электроионных воздействий в уст- 81 ройствах для энергообработки бетонной смеси

3-1 Анализ устройств для электрообработки 81 3-2 Влияние геометрии электродов на злектротепло- 88

вые поля

3.3 Принципы конструирования и расчета устройств 100

3.4 Дополнительная активация бетонной смеси при 107 помощи искровых разрядов

3.5 «'кorофакторная оценка прочности 111 Глава 4. Проверка результатов исследований в производ- 120

ствен ных условиях

4.1 Технологические линии производства бетона с 120 иопользованием синэргогенератора

4.2 Технология электрообработки бетонной смеси 127

4.3 Замер и обработка электротехнических и проч- 130 ноотных результатов

4.4 Технике-экономические обоснование синэргооб- 137 работки бетонной смеси

Основные выводы 143

Библиографическим список 145

Приложения г 1) Акты о внедреШ'Ш 155

2) Характеристики составляющих бетонной 159 смеси

3) Список патентов 162

4) Примеры расчетов ЭРУ 188

5) Математическое планирование экспериментов 173

6) Результаты экспериментальных исследований 176

ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

In ttt» • » V "Г »» * «—. V л

j^! - цшрушсз., м;

С - электрическая емкость, Ф;

с - удельная теплоемкость, кДж/(кг "С);

Е - напряженность электрического поля., В/м;

Г - Cvuictf п;

G ~ вес., нагрузка, Н; h - высота, М;

Т rx m \ у г» r-% А

1 - uyuid I'uKa, JA;

» ■ 1

Т ч—г -rr r~\ гг\ т т m j—y mт rri <—i т Л > \ «

j - нлихлиСТЬ Тилсл, А..' м; к - КО 3 ффуЩИ 9 Н Т;

1 - длина, М; N - число раз;

Р - электрическая мощность, ВТ; Р - давление, Па;

г- 2

о - площадь, М;

R - прочность, Па;

г - омическое сопротивление, им;

Т - время, с, ч, сут.;

f - температура,0С;

U - напряжение электрическое, В;

V - объем, «ь

о _ ,

» Т Л i Itfi r\ rnt. > » > f I / tT

v - ишриить j м/ u, l'/ 4;

W - электроэнергия, Вт-ч; w - удельная проводимость, СИМ.; ¿Г - объемная масса, кг/м; А - прирост величин; 8 - толщина, м;

<5 - диэлектрическая проницаемость;

2 ~ коэффициент полезного действия;

V* t /п гп /—V m m *

_ HdLi'IUXii, 1 ц;

у- - магнитная проницаемость:, Р - удельное электрическое сопротивление. Ом м; L? - электрический потенциал. В;

ВВЕДЕНИЕ

Современное строительство трудно представить без бетона, железобетонных изделии и конструкции, они и впредь останутся основными строительными материалами. Бетонные и железобетонные конструкции составляют 25-40 % стоимости строительства. Проблема разработки ресурсосберегающей, малознергоемкои и малотрудоемкои технологии возведения монолитных конструкций и производства сборных железобетонных изделий, обеспечивающей повышение качества бетона, снижение затрат и интенсификацию строительства, является важной задачей. Создание такой технологии возможно посредсвам выявления закономерностей и законов, определяющих протекающие в бетоне процессы, а также анализа и обобщения передовой практики.

Разработка новых технологий производства бетона подчикя-

.—. гп гт тт 1-,т т\ I л—V-гт г-Vттт п » Т—гт-п т»тчттт 1ГТ-Т » *_!т г—. т г .—ч т пгмп . ттт* г-. тт*. л и—. -г» .—. тт» ггт т» гт т ш

етии д.ву.м иинидшм иушпиршсиа. охи уилиуешае а нсш-

более полное использование прочностного потенциала бетона.

? 7 г~1 Т »Л г—v тт л л v ,—1 тт »-к г\ гт) 4™. т т » тттт» п » л тт г—\ т л Л т ъ » » г гп т |ъ .—i »л ттт» гт гт1 т-, л -гг л ттт» гт

псшиилве рси_шуииТус1иейив1м ииишиим уи-КирЬпил ТВердегшЯ

бетона на заводах ЖБИ в настоящее время является термообработка, При зтом у традиционных способов термообработки фзк-

ттэтт Л ■» ИТ «"Г Ж Т-% Гк Л Т Г <~. ТТ ПТТЛ ГЧ ПТГП Т-. С 4 Л »•». Л ТТТ ТТТ Л 1Т1 л г—. «1 ГПТГТТ . »Т » ТТЛ г-ч Л

тичсиш'ш рсз^лид ¿злергуш а иилЬше ТеирЬТпЧ^иКУ! ивии-

ходимого. Так, при пропаривании, на которое приходится до

ч' /п гп т» .—. т-» /1 г—. л гг г-. 1 «гл » л штт г» тч •• л . т птт г-1 т» -.»г л тгл г*, г-* л тптт гп т—г "тт г-ч

эи /и их вие1и ии'вемс! иииупш'и иехинй их Же Д е с? ииет ийс1, хиши-

вой КПД не превышает 10-30 1 и наблюдаются серьезные нарушения структуры бетона. Предварительное выдерживание бетона, направленное на борьбу с деструктивными явлениями, снижает производительность заводов.

Для производства тепловой энергии в промышленности сборного бетона и железобетона страны ежегодно сжигается в мно-

гсчисленных заводских котельных свыше 13 млн, т условного топлива, что приводит и к ухудшению экологической ситуации в городах, где размещаются предприятия этого профиля.

Е- условиях возрастающего дефицита знергоресурсов, их удорожания и постоянно ужесточающихся требований по охране ок-ружающеи среды все иолее актуальным становится переход на энергосберегающие и экологически чистые технологии, В этой связи наиболее перспективным представляется использование электроэнергии для управления процессами твердения. Несмотря на то, что применение raso- или пароразогрева смеси иногда дешевле, однако использование для термообработки бетонной смеси электроэнергии вое же предпочтительней, поскольку она широко распространена в технологических процессах и наиболее гибкая в смысле взаимопревращения в тепловую энергию на любом омическом сопротивлении, в т.ч. ив бетонной смеси (Джо-улево тепло). Также быстрый злектроразогрев бетонной смеси позволяет достигать максимально!-! температуры до начала процессов структурообразования и обеспечить равномерное остывание, что исключает нарушения структуры бетона.

Многочисленные данные говорят о неиспользованных резерва;-«: прочностного потенциала цемента, который в настоящее время

ТЧ Л WT » г—. Т Т Г". 1Т( л 1~Г ТТ Т ЦЧТТ ТТ Cí™! Ч' ТГ Ч» Г1" Г", т ПГЛТ *"Т~» Г> Т** rtf Т Т -—- V J Ttft» tn. j—\ r% m TT гч TTT *

реситсзуетии ЛУШШ «a, u.-.uu /¡». AJlti ¡^ТИВЗЦмИ Цем^пТа. ШЙДСШВ

различные способы, это тепло-влажностная обработка бетона,

1 Т И« Т ТТ» Т» Í-IT »ir r-.XW -гт irv Tt »ЛТ7 m Л Т", Т-, Г, ТТ <~. ТТ»» ч—. г-. ТГТ »-Г TTTt «tr ТТ J—\ Л П Т". J—\ ч ¡% t*

милишз i-i иулии ДимиЛ jj,eMtfrixci, В-веДепмв рс±<злУ1чиыл диилвип. w

др. В то же время, с развитием оршэргетики, начали применяться различные способы, основанные на комплексном воздейс-

rrt У- »JfT» t Т 4—, Л . m ntTTTI Ttn » Ч »Г. ГТ "ТГ l-l 1 Г Т»\ ÍT Г» "Г J», .—1 f лтм Г Т* Жт »П* ir-» X л rt * ItTVn F l—l * nm n

гш'т íid ufTUüíiy-HJ umblí рндй лИм viч.вuwu1, м (¿Шстчеиллол фйлти-

Т n.r-% rr» r-V*-IT Т л *Tt П1ЛП1 Т-. П r-,V */-V\»r ТТ Г—. П «TI* ГТТЧТ» Г» "ТТ Т *тт rv Í !»/-( 1-, t ТЧ Г /-1 nAl Г»ТТТ* п 1ТГ т—г г-\

риш, лихирыв дсаит üUtíJWumíiuuTJS при <_; шычйыгйи uiiu-

ообами термообработки температурах выдерживания бетона доби-

- -

ватьоя значительно более высокой прочности или соответствен-

тт /п пттт> г~. т гт*г г*, ттл Т1 /—I »—, щ ттп ш тт т ТТ г> т-п »1—, г—I Л Л Г—Ч тТ лт * Л л гп птт «п 7 7 "Г жг-\ ТТ

ни и и и с? ит б сшерги£4с!-\грс1-хь! Нй хермиииилиихлу ивхинй. Пйииилвв

эффективный вид энергии, обеспечивавищи воздействие на бетон целого ряда факторов и позволяющий одновременно задействовать несколько' их видов - электроэнергия.

С использованием электрической энергии созданы различные способы знергообработки бетонной смеси. Наиболее зарекомендовал себя метод предварительного злектроразогрева бетонной смеси до укладки и у места укладки предложенный А.О.Арбень-евым в 1962 г. На основе зтого метода разработано нескользко

гп л" ттгч чтлппттт* Л . т <■—• ттт» т-. л—. чл ж—ьттт »ст тт <~» тт г% т »Л г~. тт .—. г—, л т—к .—. твг-.г г.—, тт -тт 1—\ -Г-. п т»т» сп . Л гт

хелиилш'ш икхиидридсшии, Ни я^ишл-шев иеии

только три. Уто электротермосное бетонирование, злектроим-

ттт г ттт тт л-\ .—. Л .—. ГГ» /—I ттт »•»—» Г-V т—. ПТТТ! -Г Ж Т". Т»Л ТГ^ »-% ТТЛТ ЛТТТ Т-П .—к Л .—. гт» . ттт»п Г—. -Г-. Г.ТТТ»Л

нулЬилие ueTUiiixpu.t5cim-.it; и .шхириЗЛелхрии^Тишхривсшххе.

Предварительными теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при злектровозденотвии на бетонную смесь наибольшее влияние, изменяющее свойства бетонной смеси и бетона оказывают эффекты, связанные с взаимодействием частиц составляющих смесь под действием электрических сил на ионном уровне - злектроионные воздействия, которые не достаточно эффективно используются при упомянуты]4! выше методах, и нет еще устройства в котором злектроионные воздействия применялись бы для активации бетонной смеси.

и данной работе проведены исследования по влиянию на свойства бетонной смеси и бетона злектроионных воздействии. Определены оптимальные значения параметров электрообработки

л л тт .-.ттт г-г-. лтптттт шгм лтт*т% ттп . т»яг»п ттт т—. п птттгп т. -гг .—. т лттп г-\ т гг~\ ттттт тт г -г-. г~\ г-\ тт п т »у—»

твии. А также исследованы свойства бетонной смеси, позволяющие контролировать эффективность воздействия и кинетику структурообразования бетона. На основе полученных резулъта-

_ а -

тов запроектирована установка, для непрерывной энергообработки бетонной смеси - синзргогенератор в которой активное ио-

— " * —> ri-,

пользование электроионных воздействии позволяет интенсифицировать злектрообработку смеси.

С применением оинэргогенератора созданы четыре принципиально новые технологические линии бетонирования для заводов ЖВй, одна из которых испытана и внедрена на заводе ЖКИ ОАО "Еиойпор" в г. Владимире. В процессе промышленного изготовления фундаментных блоков эта технология доказала свою эффективность и прогрессивность и высоко была оценена участниками Международной научно-технической конференции "Оинзрго-бетонирование изделии и конструкций".

Глава 1. Теоретические и практические предпосылки злектро-

обработки бетонной смеси,

1.1 Обзор практики использования электроэнергии для управления процессами твердения

применение электрической энергии для обработки бетона имеет свою историю, хотя и относительно молодую, но достаточно поучительную и богатую интересными фактами.

Воздействие электрического тока на бетон впервые исследо-

длш Длиниил, члемиш' ¡л 1и1и 1а.сч: г. с милиесилг-иг^ии

лаборатории Канадской цементной компании. Авторы пришли к выводу, что пропускание электрического тока через бетон увеличивает прочность бетона на сжатие, они объяснили этот факт непосредственным действием тока, который "помогает рассей-

1-. л тт т т «-V .-п «чпт»т тт т т*т . г й тт ттт Н 1 Т -г—, т п * л»птт » > гт г»* гл тп тт тт пттт«гт Л т г*» Тт . т*

змТ-о ч.лии.-и.цы Цементе! . пи шлек-'ЩпеиЯ ййсшйЯ и иеТипе п

влиянии на него электрического тока, не позволили увидеть авторам в зтом методе научную и практическую пользу и заморозили опубликование результатов исследовании до 1936 года.

Более значимые результаты по электрической обработке бетона удалось получить шведским инженерам А.Ерунду и X.Волину. Начав свои исследования в 192? г. они выдвинули правильные теоретические предпосылки и оценили реальную возможность использования метода электропрогрева при изготовлении железобетонных конструкций. В 1932 г. изобретатели получили Американский патент и сделали сообщение в Шведской инженерной академии. Несмотря на усилия А.Ерунда и X.Волина электропрогрев так и не нашел широкого применения в США и Европпе, ее-

ли не считать единичных случаев, Псвже в 40-е годы он применялся в Японии при возведении монолитных жлезобетонных конструкции в северных районах страны,

Сообщение о работах шведских ученых заинтересовало советских специалистов и уже зимои 1932-1933 г. в производственных условиях Стройтреста N 2 под руководством А.К.Ретти [943 был осуществлен электропрогрев железобетонных конструкции на строительстве промышленного здания в Кунцеве с производительностью по 10-12 м железобетона ежедневно, 0 того времени СССР стал центром исследовании и широкого применения электрообработки бетона.

Первые исследования электропрогрева бетона в СССР были начаты в ГЙС (позднее ЦНИПС) в 1932 г, В.М.Медведевым., С,А,Мироновым и Р.В.Вегенером в тесном сотрудничестве с которыми работал А.К.Ретти [41, 82, 943. В 1933 г. были разработаны первые "Временные указания", а в 1934 г. "Инструкция по электропргреву оетока". в 1933 г, на Каммашстрое был налажен выпуск крупных шлакобетонных блоков с электропрогревом. что положило начало применению этого метода тепловой обработки в заводских условиях.

Л г-, тттт /—к Л ттт ттт г—. .—. г-.» т-гг\ /—к » т чг-% ПГ' -—. ТТТКГ. 1—1 -ТТ т иглт /-1 тт»п .—. т-ч т г п ч»г. 1 пт

ииииепии ииллшие рс^шриитрсшегти ^лег.ТрОириГрев У1 ¿двлт-

рообогрев получили в годы Великой Отечественной войны и в послевоенные годы, когда наша промышленность перебралась на восток страны, в зону низких отрицательных температур. В этот период появился ряд новых решений, предложенных С.А.Мироновым и Л.А.Коммиоаровым ( периферииныи электродный прогрев } [79, 823, Р.В.Вегенером ( прогрев групповыми электродами ) [413, И. И. Богатыревым ( цилиндрические теплоэлектро-

йси р(г-±5с1тели - i опп ,1, л . 1 . оп.рймт^бвым п . >1. аънужым !, с1лсг„т-

ротермоо } [loj. Предложен индукционный прогрев железобетонных конструкции ( А. в.Нетушил, Л.А.Коммиоаров ), разработаны методы расчета электродного прогрева А.в,нетушил, Р.В.неге-нер ), предложены новые решения для электрообогрева железо-

Л л гтч j—\ ттттт тт г т *r "г mr%t тт лт тт »т w т» т л ГП / Г", тттт «т» 1 п тт "тт t »*t w i T/f 7jf 7"' r^ t—ч n rm T л т"*, Ч

иетиншл лидСтру^Щии и лсшеииии ллццлв i, ух. ух - х;>и1-с±хыре±5 j

Разработан кассетный метод изготовления железобетонных изделий с электропрогревом [3, 17, 94, 104].

однако, при всей своей практической эффективности, эти методы имели ряд существенных недостатков, тормозивших массовое внедрение электрообрабоТки для управления процессами твердения, это: неоправдано высокий расход проводов и элект-

1-1 tt 1—> т-Ч ттт» г-. т гкт WT Ж 1/Т7ТГ П гт» Г» т «»».»г . тт1пт-11 гттт ттт» гт т—. i—I mm tt »тт тт-\ Л Д Г. «tt г—V тт 1-1

уидид, rti'iör-a'iK ru-цц, с1. хси\л,е иа.ууше«хш а uxpyivxype uexuact

из-за несвоевременности и неэффективности способа внесения энергии.

7/f ттп11»/-.ттлтт -г-. т-1 тт«—. г-.яттпт,,-. тл Л Ä mm 7 7 7 7 ТТлттт«1 TT.-i-r./п

л, йсллл-'деЦ, ß J.aujc х. iict иилше pdutJi. л. л. Далухлина-,

л . rt . rvi'ijfji'itihmj , п . л . r.ptoljj.u.bca, d . п . jvmpuüuüci vi ö.n. l-i'iiiuiiizi. l ujc ,

6o, 7У, Dil A.C.Арбеньевым был предложен предварительный электроразогрев бетонной смеси до укладки и у места укладки, позволивший исключить недостатки существующих технологий и имеющий перед ними существенные преимущества L¿3, 24, 283. в 196о году метод включен в план новой техники Госстроя СССР, а в 70-м в Строительные нормы и правила. Но еще до официального разрешения строители стали использовать его на свои страх и риск.

Эффективность этого метода определяется тем, что в этот период смесь обладает: максимальной теплоемкостью, что позволяет аккумулировать в ней большее количество тепловой энергии, чем в твердеющем бетоне.; наибольшей теплопроводностью, что дает возможность значительно быстрее распреде-

ляться теплу от более разогретых участков смеси к менее разогретым без опасности нарушения структуры бетона; наивысшей электропроводностью, благодаря чему появляется возможность интенсифицировать процесс электроразогрева. Позднее экспериментальными и теоретическими исследованиями было установлено, что энергетическое воздействие на бетонную смесь и процессы протекающие в смеси и бетоне при структурообразовании происходят согласно фундаментальным законам классических на-

1 гти 1/ тк т гг 1-г г-v »—. т пп ти т -тт ,—. т г ,1 гпт-.т ттптттт и г vi1-1 гч ^ v "от г чтт -гт л л -п п т г т7 гу пп_

ул. лгал, ти ни 45сы\иму демитвулдцил к.1 ульдиеугса п и.паа

ге, энергию, для наиболее полного протекания химической реакции вносится в момент наибольшей концентрации реагирующих и наименьшей прореагировав из их веществ [723. Для преодоления энергетических барьеров по закону Р.Декарта электрообработка, осуществляется импульсно (, кратковременно и большой мощностью ). Согласно второму началу термодинамики с целью повышения КПД энергия вносится внутрь бетонной смеси. И по закону теплового расширения, для предотвращения нарушении структуры бетона, выдерживание смеси осуществляется при постоянном постепенном остывании рис. 1.1 ).

Впервые в январе 1У82 г. с электроразогревом смеси забетонированы балки с модулем поверхности 12 на полигоне Западно- Сибирск�