[ предыдущая статья ] [ следующая статья ] [ содержание ] [ подшивка за 1998 год ] [ "" ] [ поиск ]

No 6(22), 18 июля 1998

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНИРОВАНИЯ
С ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВОМ СМЕСИ Академик А.С. Арбеньев, Владимирский государственный университет НЕОБХОДИМОСТЬ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БЕТОНИРОВАНИЯ В России полгода стоит зима и морозы достигают 400С. Без тепла не обойтись.

Ранее зимнее бетонирование, как правило, проводилось по следующей схеме: 1. подогрев заполнителей 2. приготовление и выгрузка бетонной смеси 3. транспортирование смеси автомашинами 4. выгрузка в бункера 5. подача и укладка смеси в опалубку 6. вибрирование смеси 7. монтаж электродов и коммутация проводов 8. электроподогрев бетона 9. укрытие и выдерживание бетона.

Однако, подогрев заполнителей приводил к торможению реакций: подогрев бетона после вибрации - к разрыхлению смеси, а температурные деформации в процессе прогрева - к нарушению структуры. Кроме того, приготовление, транспорт и многочисленные перегрузки так охлаждали смесь, что в ней образовывался лед и после прогрева бетона - пустоты, в связи с чем участились аварии.

К тому же термообработка бетона слишком трудоемка и дорога, а также энергоемка: на термообработку бетона идет столько же тепла, сколько на отопление всего жилья. Все это настоятельно требовало разработки новых, более эффективных, технологий бетонирования.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ БЕТОНИРОВАНИЯ С ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВОМ СМЕСИ Еще до нашей эры греки знали, что прежде, чем соединять, а тем более упрочнять, надо предельно все разъяснить, не повреждая структуры. То же вытекает из законов В.Оствальда (закон разбавления), Я.Вант-Гоффа (эффективность температур в начале диффузионных процессов) и Р.Гука (зависимость напряжений от деформации).

Поэтому, в целях оптимального протекания физико-химических процессов, а также обеспечения положительных темеператур при укладке смеси, необходимо по-иному вносить тепло.

Учитывая законы природы, автор предложил использовать не подогретые заполнители, а интенсивно разогревать смесь перед укладкой и обеспечивать постепенное остывание разогретой бетонной смеси (А.с. 168173).

Для разработки предложенной технологии в 60-х годах в Новокузнецком отделении Академии строительства и архитектуры СССР проводились всесторонние исследования. Проанализированы методы зимнего бетонирования, разработанные И.А.Кириенко, С.А.Мироновым и В.Н.Сизовым. Соединив положительные черты метода термоса, электроподогрева бетона и холодного бетонирования соответстенно: постепенное остывание, повышение температуры твердения и низкотемпературное затворение, и исключив их отрицательные черты, как то: повышенные температуры затворения, нарушение структуры, а также длительное твердение, создали новую технологию - электротермосное бетонирование - ЭТБ. При этом показано преимущество низкотемпературного затворения, так называемого термомолекулярного воздействия - ТМ, и определены оптимальные параметры термохимического воздействия - ТХ, то есть внесения тепла.

Таким образом, сущность первой технологии - электротермосного бетонирования заключается во внесении тепла непосредственно перед укладкой, немедленного вибрирования, а затем термосного выдерживания бетона. Коренное отличие - отказ от подогрева заполнителей и прогрева бетона.

Для эффективного внесения тепла запроектировали новое оборудование - электроднопластинчатый бункер - ЭПБ (по типу электрокипятильника военных лет) в обычный строительный бункер и установили три изолированных от корпуса стальных пластинчатых электрода.

Подключив их к сети с напряжением 220/380 В за 10-15 мин достигали температуры 80-90 0С до схватывания смеси. Ввиду кратковременного внесения тепла внутрь, коэффициент полезного действия возрос до 0,7, а расход энергии сократился до 60 кВт ч/куб.м. Потребляемая мощность составила 200-300 кВт.

Первые же шестиметровые балки, забетонированные на тридцатиградусном морозе в зиму 1961/62 года набрали до замерзания 70%, а к лету - 170% от марочной прочности. Видя простоту и эффективность работ, а также сокращение трех операций (подогрев составляющих, монтаж электродов и проводов, а также прогрев бетона, строители ухватились за это, и к концу 60-х годов по стране ежегодно укладывалось с электроразогревом смеси до миллиона кубических метров бетона. Ввиду же необычности метода, в Строительные нормы и правила его включили лишь в 1970 году.

Благодаря такому внесению тепла резко снизились торможение реакций, разрыхление смеси и нарушение структуры. Бетон, без какого-либо прогрева, набирал до замерзания до 50% прочности.

Таким образом, первая же технология - электротермосное бетонирование явилось пересмотром обычных представлений в технологии бетона. До этого запрещалось подогревать смесь, а тем более, использовать напряжение 220/380 В. ГОСТ, разрешающий применять такое напряжение, вышел только в 1977 году.

Всех убедили и большие преимущества: отказ от дефицитных проводов и электродов, достигающий 8-12 кг/кв.м, исключение понизительных трансформаторов, прогева бетона и подогрева заполнителей. Появилась возможность перевозки смеси на любом морозе, на любые расстояния.

Серьезный недостаток - большие тепло- и влагопотери при разогреве и укладке, а также необходимость использования малотеплоемкого утеплителя и бетонирование лишь фундаментов.

Ежегодная укладка бетона достигла 4-5 миллионов кубических метров, в среднем по всей стране в год - до 20%, а в некоторых городах - 80%. Это привело к перевороту в технологии бетона с полным отказом от сложившихся представлений.

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВОМ СМЕСИ Прошло десять лет. Электроразогрев смеси непрерывно совершенствовался и росли объемы уложенного бетона. В целях дальнейшего расширения области применения электроразогретых смесей и отказа от утепления, поставлена задача управлять процессами твердения с помощью регулирования электрической энергии.

Исследования в 70-х годах проводились в Новосибирском инженерно-строительном институте. Применив законы К.Гульберга и П.Вааге о максимуме концентрации реагирующих веществ, С.Аррениуса (о необходимости импульса для преодоления барьера), Р.Клаузиса (повышение КПД с увеличением разности температур торой закон термодинамики), а также Г.Люссака (тепловое расширение газов), нами создан мощный электротепловой импульс и внесен момент наибольшей концентрации реагирующих веществ (минимум электросопротивления смеси) с постепенным отводом тепла (А.с. 239096).

На основе использования зависимостей Р.В.Вегенера, Б.А.Крылова и Н.Н.Данилова по оптимальным режимам электропрогрева, а также рациональных конструкций электродов и их расчетов создали электроимпульсное бетонирование - ЭИБ. Исследовав дополнительно параметры электротеплового - ЭТ иэлектроионного И воздействий с искровыми и коронными разрядами, получили оптимальные значения параметров при напряжении 220/380 В, значительно интенсифицировали реакции и экзотермию цемента, что дало возможность и зимой применять неутепленную стальную опалубку.

Сущность второй технологии - электроимпульсного бетонирования ЭИБ заключается в создании мощного электротеплового импульса и внесения его в бетонную смесь до уплотнения с выдерживанием бетона в обычной неутепленной опалубке. Коренное отличие - создание электротеплового импульса и постепенный отвод тепла, согласно принципу Ле Шателье, интенсифицирующим физико-химические процессы.

Для получения электротеплового импульса запроектирована установка с погружаемыми электродами - УПЭ - по типу студенческого электрокипятильника. В кузов самосвала или бетоноукладчика погружались каркасные электроды с плотной крышкой и вибратором. За 5-10 минут смесь разогревалась до 70-80 О С. Благодаря импульсу и укрытию, а также непосредственной выгрузке смеси в опалубку, КПД повысился до 0,8, а расход энергии снизился до 50 кВт ч/кв.м бетона. Потребляемая мощность достигла 400 кВт.

Большие объемы, с разогревом смеси в кузовах самосвала, уложены на стройках Сибири, Урала и Поволжья. Французские специалисты, ознакомившись с нашей технологией, оперативно организовали выпуск установок с разогревом смеси с погружаемыми электродами в специальных бункерах. Такие установки в настоящее время применяются в двадцати странах мира.

Благодаря импульсному внесению электроэнергии в момент максимума концентрации реагирующих веществ, электросопротивление смеси понизилось в 3-4 раза. Вследствие снижения аккумуляции тепла интенсифицировалась экзотермия цемента, время остывания бетона удлинилось в 5-10 раз и прочность бетона до замерзания возросла до 70%.

При электроимпульсном бетонировании появилась возможность непосредственной разгрузки бетона в опалубку, отказавшись от перегрузок и крана. Количество операций еще сократилось и поток бетона достиг 40куб.м/смену. Сократился расход энергии и отпала необходимость в утеплении, появилась возможность использования высокооборачиваемой стальной опалубки. Недостаток - значительная электрическая мощность, и разогрев смеси эффективно применять в автосамосвалах лишь для конструкции нулевого цикла. При перегрузках бетонная смесь сильно остывает.

НЕПРЕРЫВНОЕ БЕТОНИРОВАНИЕ С ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВОМ СМЕСИ Прошло еще десять лет. В стране стал ощущаться недостаток электроэнергии и требовалось поточное производство работ.

В целях сокращения потребляемой электрической мощности, а также создания потока, продолжились поиски по созданию непрерывной технологии работ и энергообработки смеси. Исследования проводились во Владимирском политехническом институте в 80-х годах. Используя уравнение Р.Декарта (закон сохранения импульса) и Я.Бернулли (течение жидкости), нами предложена энергообработка смеси в процессе вибродвижения (А.с. 1403510).

На основе работ И.Н.Ахвердова (об интенсификации физико-химических процессов при вибродвижении), А.Е.Десова (о параметрах виброимпульсного воздействия) и А.А.Афанасьева (о преимуществах виброударных, виброимпульсных, то есть, комплексных вибромеханических воздействий создана третья новая технология - виброэлектробетонирование - ВЭБ.

Сущность виброэлектробетонирования заключается во внесении мощного электротеплового импульса в вибродвижущуюся бетонную смесь и выдерживании бетона в стендовой неперемещаемой опалубке. Основное отличие - в создании мощного электротеплового импульса, что на три порядка выше, чем при традиционном электроподогреве бетона, и обеспечение непрерывной обработки бетона.

Для создания непрерывного вибродвижения использовался вибролоток, успешно применявшийся на довоенных стройках. В лоток установили три трубчатых электрода, подключаемых к разным фазам, корпус занулялся. Температура в вибролотке 60-70 0С достигалась за 3-5 минут. КПД, вследствие непрерывной обработки, повысился до 0,9, расход энергии сократился до 40 кВт ч/куб.м, потребляемая мощность - в 2-3 раза. При потоке бетона 40 куб.м/смену требовалось всего 150 кВт.

Новую технологию впервые отработали одновременно на трех заводах сборного железобетона г.Владимира, и полностью освоили в А.О. Рощинострой, а также в Твери, Санкт-Петербурге, Москве и других городах. Испытание фундаментальных блоков показало, что прочность бетона в суточном возрасте достигла 90%, а в 28-суточном - 150% от марочной.

Виброэлектробетонирование запатентовано в десяти наиболее развитых странах: США, ФРГ, Англии, Франции, Италии и странах Скандинавии. Временные технические условия по виброэлектробетонированию утверждены Минстроем РСФСР в 1989 году.

Благодаря большой диспергации цемента и гомогенизации смеси, еще более снизилось электросопротивление смеси и активизировались реакции в процессе вибродвижения, которое предпочитает природа. Ввиду же стендового выдерживания отпали механические деформации и стала лучше упаковка заполнителей. Все это привело к возрастанию прочности бетона еще на 20%.

Достоинство непрерывного бетонирования - исключение простоев, сокращение трудозатрат, а главное - в 2-3 раза снижение потребляемой электрической мощности, благодаря чему бетонирование с электроразогревом смеси получило "второе дыхание". Все показатели значительно повысились. Недостаток - сложность передвижения виброэлектролотка, а также необходимость перестройки в целях бесперебойного поступления бетонной смеси.

ПРОРЫВ В ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНИРОВАНИЯ В 90-х годах началось широкое использование синэргетики во всех отраслях народного хозяйства, отражающее комплексный подход к технологиям. Основоположник синэргетики, наш соотечественник, Лауреат Нобелевской премии 1977 года И.Р.Пригожин установил, что при совместном использовании всех энергий в условиях потокового интенсивного обмена энергии и вещества с окружающей средой, наступает высокая степень упорядоченности, приводящая к самоорганизации диссипативных систем.

Поскольку бетонная смесь является диссипативной системой, автор предложил комплексно использовать все виды энергий в процессе обработки бетонной смеси, на что получил патент Э1825332.

Исследования проводились во Владимирском государственном университете. Использовались работы В.И.Соломатова, создавшего интенсивную раздельную технологию бетонирования - ИРТ, П.Г.Комохова по механико-экономическим воздействиям и, особенно, работы О.П.Мчедлова-Петросяна в области термодинамики, нашедшего оптимальные точки приложения энергий к бетону.

На основе исследований получены оптимальные параметры дополнительных вибровращательных - ВВ, электромагнитных - ЭМ и термофазовых - ТФ воздействий, а также параметры оптимального самопригружения конструкций по А.В.Саталкину.

В результате исследований создана четвертая технология бетонирования с электроразогревом смеси, названная синэргобетонированием - СЭБ.

Эта технология заключается в комплексно-импульсной и согласованной обработке бетонной смеси одновременно девятью энерговоздействиями и выдерживании бетона с самопригружением. Коренное отличие - комплексная интенсивная и согласованная обработка бетонной смеси в закрытой емкости.

Для комплексной энергообработки бетонной смеси принята "труба в трубе", как устроен любой биоорганизм, использовались зарекомендовавшиеся элементы оборудования, применяемые на заводах сборного железобетона и 30-летняя практика бетонирования с электроразогревом смеси.

В новом оборудовании - синэргогенераторе - СЭГ соединили в единое целое элементы по термообработке - барботера, парокамеры и автоклава, для энергообработки - элементы электрокипятильника, ионизатора и соленоида, а также виброобработки - элементы вибромесителя, виброплощадки и вибролотка. Синэргогенератор состоит из двухметровой трубы-корпуса, виброустройства из тросовых подвесок, вибратора и электросердечника, на которой намотаны спирально-проволочные электроды.

При подключении к сети с напряжением 220/380 В температура 50-60 0С достигалась за 1-2 минуты, КПД приблизился к единице с расходом электроэнергии всего 30 кВтч/кв.м. Потребляемая мощность, в зависимости от потока бетона, - 50-400 кВт.

Во Владимирском государственном университете был создан опытно-экспериментальный полигон, на котором студенты, проходя практику, изготавливали стеновые и фундаментные блоки, а также балочки-перемычки. Испытания двух балочек показали, что при оптимальных энерговоздействиях можно на обычных материалах достигнуть 600-1000 кг/кв.см в трехмесячном возрасте. Французские специалисты в этойтехнологии бетонирования достигают 300 кг/кв.см. за три часа обработки, что означало настоящий прорыв в технологии бетона.

Благодаря импульсному и согласованному внесению девяти энерговоздействий электросопротивление смеси снизилось до 8- 9 раз. В процессе схватывания из-за бифуркации наступили цепные реакции, что привело к высокой степени упорядоченности и в конечном счете, к самоорганизации системы. Последующее самопригружение обеспечило до замерзания при благоприятном выдерживании на заводе свыше 100% в суточном возрасте, а к 28 суткам - к удвоению и утроению прочности бетона. Это дало основание снизить расход цемента в 1,5-2 раза. Следует отметить, что прочность бетона не растет прямо пропорционально активности и расходу цемента (лишь в корне квадратном), и только рациональная технология обеспечивает увеличение прочности из-за электромагнитных, термофазовых и вибровращательных воздействий.

При этом количество операций сокращается с 9 до 3-4, а используя автобетононасос - СЭБ, можно применять для любых конструкций. На полигоне количество операций сокращается до трех.

При синэргобетонировании на полигоне капзатраты сокращаются в 7-8 раз, а на стройплощадке отпадает надобность транспорта бетона, ибо бетонируемый узел располагается вблизи объекта. Используя автобетононасос, можно подавать энергообработанную смесь в любую точку объекта.

Недостатки СЭБ - необходим строгий контроль за каждым процессом и современное оборудование, что затруднительно получить в наше "перестроечное" время.

ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИКА Итак, за сорок лет разработано четыре технологии бетонирования с электроразогревом смеси и четыре эффективных и работоспособных устройства. Рекомендации утверждены главными строительными управлениями и министерствами. В каждой технологии постоянно и последовательно снижается стоимость и повышается прочность в среднем на 1-2% ежегодно. О качестве и эффективности бетонирования свидетельствуют многомиллионные объемы укладки бетона из разогретых смесей и проводимые конференции с демонстрацией технологий и оборудования. К сожалению, до сих пор появляются компилятивные рекомендации, не подтвержденные экспериментами, а также неотработанные устройства (свыше двухсот), что подчас дискредитирует бетонирование с электроразогревом смеси.

Согласно последних Временных технических условий по непрерывному виброэлектробетонированию, утвержденных Минстроем РСФСР на каждом кубическом метре бетона, в среднем, экономится металла в 5-7 раз, энергии в 4-5 раз, труда в 3-4 раза и цемента в 1,5-2 раза. Ежегодно снижается себестоимость бетона до 40%.

Подытоживая сказанное, можно сделать вывод: все четыре технологии разработаны на основе законов фундаментальных наук, подтверждены многочисленными экспериментами и практикой бетонирования с многочисленными экспериментами и практикой бетонирования с многомиллионными объемами работ. Установки по энергообработке смеси непрерывно соврешенствуются, и экономия, при строгой технологии работ, может достигнуть 40% с удвоением и утроением марочной прочности бетона.

Седьмой год в АО Рощинострой изготавливаются с непрерывным электроразогревом смеси различные железобетонные изделия и конструкции, третий год - в мостопоезде Э 19 (г.Тверь). С непрерывным электроразогревом смеси забетонированы ряд зданий из монолитного бетона в Москве, Санкт-Петербурге и других городах.

Необходимую документацию, а также техпомощь в освоении разработанных технологий можно получить по адресу: 600026, Россия, г. Владимир, ул.Горького, 89, ВлГУ проф. А.С.Арбеньев


[ предыдущая статья ] [ следующая статья ] [ содержание ] [ подшивка ] [ поиск ]
ъМДЕЙЯ ЖХРХПНБЮМХЪ