ИНФРАКРАСНЫЙ ОБОГРЕВ БЕТОНА

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

11.1.Инфракрасный способ термообработки бетона основан на использовании энергии инфракрасного излучения, подаваемого на открытые или опалубленные поверхности обогреваемых конструкций и превращающегося на этих поверхностях в тепловую энергию.

Поскольку глубина проникновения инфракрасных лучей в бетон не превышает 2 мм, то лучистая энергия превращается в тепловую в тонких поверхностных слоях бетона, остальная же масса конструкции нагревается за счет теплопередачи от этих слоев и экзотермии цемента.

11.2.При производстве бетонных работ в условиях низких отрицательных температур наружного воздуха инфракрасный обогрев рекомендуется применять:

для отогрева промороженных бетонных и грунтовых оснований, арматуры, закладных металлических деталей и опалубки, удаления снега и наледи;

для интенсификации твердения бетона конструкций и сооружений, возводимых в скользящей опалубке, плит перекрытий и покрытий, вертикальных и наклонных конструкций, бетонируемых в металлической или конструктивной опалубках;

для предварительного отогрева зоны стыков сборных железобетонных конструкций и ускорения твердения бетона или раствора заделки;

для ускорения твердения бетона или раствора при укрупнительной сборке большеразмерных железобетонных конструкций;

для создания тепловой защиты поверхностей, недоступных для утепления.

11.3.В качестве источников (генераторов) инфракрасного излучения в технологии зимнего бетонирования рекомендуется применять:

металлические (стальные, латунные, медные) трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) типов НВС (нагреватель воздушный сушильный) и НВСЖ (нагреватель воздушный сушильный жаростойкий) диаметром от 9 до 18 мм, длиной от 0,3 до 6 м, мощностью от 0,6 до 1,2 кВт/м с рабочим напряжением - 127, 220 и 380 В, с температурой излучающей поверхности от 300 до 600 °С;

керамические стержневые излучатели диаметром от 6 до 50 мм, длиной от 0,3 до 1 м, мощностью от 1 до 10 кВт/м, с рабочим напряжением 127, 220 и 380 В, с температурой излучающей поверхности от 1300 до 1500 °С;

кварцевые трубчатые излучатели типа НИК-220-1000-Тр (нагреватель инфракрасный кварцевый напряжением 220 В, мощностью 1000 Вт, трубчатый) диаметром 10 мм, длиной 370 мм с температурой спирали до 2300 °С. Кварцевые излучатели должны работать обязательно в горизонтальном положении и надежно защищены от ударных воздействий.

11.4. Для создания направленного лучистого потока излучатели должны помещаться в параболические, сферические или трапецеидальные отражатели. При этом излучатели помещаются в фокус параболы или центр сферы; расположение излучателей при применении трапецеидальных отражателей определяется расчетом.

Инфракрасные излучатели в комплекте с отражателями и поддерживающими устройствами составляют инфракрасную установку.

11.5. В зависимости от назначения, конфигурации и модуля поверхности обогреваемых конструкций рекомендуется применять инфракрасные установки, приведенные на рис. 56:

а) короб для обогрева плитных конструкций, дорожных оснований, стен, отогрева промороженного бетона, грунта и т.п.;

б) прожектор для отогрева полости опалубки, арматуры, закладных деталей и тепловой защиты поверхностей, недоступных для утепления;

в) сферические и плоские нащельники для предварительного отогрева зоны стыка сборных железобетонных конструкций и термообработки бетона заделки;

г) двухстенную плоскую опалубку для термообработки плоских вертикальных и линейных конструкций и элементов;

д) одиночные излучатели, вводимые в каналы-пустоты, для термообработки многопустотных плит и настилов.

Рис. 56. Инфракрасные установки

а - короб; б - прожектор; в - нащельники; г - двухстенчатая опалубка; д - одиночные излучатели; 1 - гидроизоляция; 2 - облучаемая поверхность; 3 - отражатели; 4 - излучатели; 5 - обогреваемая конструкция

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНФРАКРАСНОГО ОБОГРЕВА И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ УСТАНОВОК

11.6. Задачей расчета и конструирования инфракрасных установок является выбор типа генераторов инфракрасного излучения, их мощности, количества и расположения относительно облучаемых и рефлектирующих устройств. Энергетические и геометрические параметры инфракрасных установок должны обеспечивать энергетическую освещенность облучаемой поверхности конструкции, требуемую для выделения на ней мощности, рассчитанной по формуле (66).

11.7. Требуемая энергетическая освещенность E определяется по формуле

(65)

где P - требуемая мощность, кВт;

Fо - площадь облучаемой поверхности, м2;

ε - степень черноты материала облучаемой поверхности (табл. 56).

Таблица 56

Наименование материалов Степень черноты ε полного излучения
Бетон 0,65 - 0,85
Керамзитобетон 0,7 - 0,9
Алюминий:  
полированный 0,04 - 0,06
сильно окисленный 0,2 - 0,3
Железо:  
полированное 0,14 - 0,38
окисленное 0,74 - 0,82
листовое оцинкованное блестящее 0,23
то же, окисленное 0,28
Жесть белая 0,28
Сталь:  
листовая шлифованная 0,55 - 0,61
с шероховатой поверхностью 0,95 - 0,98
сильно окисленная 0,88 - 0,98
Нихромовая проволока окисленная 0,95 - 0,98
Древесина 0,7 - 0,8
Краски:  
алюминиевые различной давности 0,3 - 0,35
масляные различных цветов 0,92 - 0,96
Лак черный матовый 0,96 - 0,98
Вода (слой толщиной более 0,1 мм) 0,95 - 0,98
Лед гладкий 0,97
Снег 0,8

11.8. Мощность, которую необходимо подать на облучаемую поверхность конструкции на стадии подъема температуры Pп бетона и изотермического прогрева Pи, определяется соответственно по формулам (66) и (67):

(66)

(67)

где Cб, Cа и Ciоп - удельная теплоемкость соответственно бетона, арматуры, материала i-го слоя опалубки, Дж/(кг · °С);

γб, γа, γi - объемная масса соответственно бетона, арматуры, материала i-го слоя опалубки, кг/м3;

Vб, Vа - объем соответственно бетона и арматуры, м3;

δiоп - толщина i-го слоя опалубки, м;

Fо, Fоп - площадь соответственно облучаемой и необлучаемой поверхности конструкции, м2;

τп - продолжительность подъема температуры, ч;

K - коэффициент теплопередачи через опалубку, кВт/(м2 · °С);

Ц - расход цемента в бетоне, кг/м3;

Эп, Эи - удельное тепловыделение цемента в период соответственно подъема температуры и изотермического прогрева, Дж/кг;

tн, tн.в - соответственно начальная температура бетона и наружного воздуха, °С;

tи, t′и - температура изотермического прогрева, соответственно на облучаемой и необлучаемой поверхности конструкции, °С;

αо - коэффициент теплоотдачи облучаемой поверхности, определяемой по формуле

(68)

где дополнительно:

h - расстояние между облучаемой и отражающей поверхностями, м;

tср - средняя температура бетона, определяется по формулам:

для стадии разогрева

(69)

для стадии изотермического прогрева

(70)

ty - температура стенок инфракрасной установки, ориентировочно определяется по формулам:

для стадии разогрева

ty - температура стенок инфракрасной установки, ориентировочно определяется по формулам:

для стадии разогрева

(71)

для стадии изотермического прогрева

(72)

11.9. Мощность, требуемая для тепловой защиты открытой поверхности конструкции, определяется по формуле

Pз = αоF(tи - tн.в) кВт. (73)

11.10.Мощность инфракрасной установки, необходимая для создания требуемой освещенности на облучаемой поверхности конструкции, определяется по формуле

(74)

где φ - коэффициент облученности, показывающий, какая доля лучистого потока, создаваемого излучателями, воспринимается облучаемой поверхностью; определяется по формуле

φ = φи-п + [(1 - εо)φи-оφо-п - φо-и], (75)

где φи-п и φи-о - доля лучистого потока, передаваемая от излучателей соответственно на облучаемую и отражающую поверхности; φо-п и φо-и - доля лучистого потока, передаваемая от отражателя соответственно на облучаемую поверхность и излучатели.

Значения коэффициентов лучистого потока φи-п, φи-о и φо-и берутся, по табл. 57 в зависимости от геометрических параметров S и d элементов инфракрасной установки, указанных на рис. 57, а коэффициента φо-п в зависимости от геометрических параметров a1, a2 и h - по табл. 58.

Рис. 57. Схема к расчету параметров инфракрасной установки

и - излучатели; о - отражатель; п - облучаемая поверхность

Таблица 57

Коэффициенты Значения коэффициентов при S/d равном
φи-п, φи-о 0,318 0,417 0,466 0,48 0,482 0,49
φо-и 0,656 0,293 0,151 0,077 0,031

Примечание. Для промежуточных значений s/d величина φ определяется по правилу линейной интерполяции.

Таблица 58

Величина Значения φо-п при a2/h равном
0,1
0,1 0,013 0,032 0,034 0,041 0,048 0,049 0,049
0,015 0,195 0,358 0,388 0,411 0,412 0,413 0,414
0,032 0,299 0,564 0,793 0,8 0,815 0,818 0,819
0,04 0,385 0,729 0,812 0,822 0,895 0,9 0,905
0,044 0,469 0,813 0,866 0,959 0,968 0,977 0,98
0,045 0,6 0,815 0,893 0,967 0,972 0,98 0,985
0,046 0,681 0,818 0,09 0,974 0,983 0,993 0,998
0,05 0,707 0,82 0,905 0,98 0,990 0,998 0,999

Примечание. Для промежуточных значений a1/h и a2/h величина φо-п определяется по правилу линейной интерполяции.

11.11.Зная требуемую энергетическую освещенность E и площадь облучаемой поверхности Fо, задаются геометрическими параметрами элементов установки, определяют коэффициент облученности φ и рассчитывают необходимую мощность инфракрасной установки Pуст.

11.12.При конструировании инфракрасных установок необходимо:

в поддерживающих инфракрасные излучатели конструкциях и приспособлениях применять легкие металлы;

в качестве рефлекторов применять алюминий, обладающий наибольшей отражательной способностью. При отсутствии листового алюминия можно применять листовое железо с покраской отражающей поверхности жаростойкой алюминиевой краской;

опалубленные поверхности, воспринимающие инфракрасное излучение, покрывать черным матовым лаком для повышения поглощательной способности поверхности;

в целях повышения равномерности обогрева конструкции в инфракрасных установках электрические мощности распределять следующим образом:

на нижнюю треть высоты конструкции - 50 % общей мощности;

на среднюю треть - 30 % общей мощности;

на верхнюю треть - 20 % общей мощности;

на крайние 1/6 ширины конструкции - 50 % подводимой на данной высоте мощности;

на средние 1/6 ширины - 30 % подводимой на данной высоте мощности;

на центральную 1/3 ширины - 20 % подводимой на данной высоте мощности.

11.13. При применении инфракрасного обогрева бетона конструкций и сооружений, возводимых в скользящей опалубке, процесс термообработки бетона разделяется на четыре этапа (рис. 58):

а) инфракрасные установки, смонтированные по периметру подвижных форм, нагревают элементы скользящей опалубки перед укладкой бетона в формы и первые слои уложенного бетона (см. рис. 58, а). При этом и опалубка, и инфракрасные установки находятся в состоянии покоя (vоп = vy = 0, где vy - скорость подъема инфракрасной установки, м/ч; vоп - скорость подъема опалубки, м/ч);

б) скользящая опалубка поднимается на высоту, равную высоте подвесных лесов (см. рис. 58, б), а инфракрасные установки остаются в первоначальном положении и прогревают слой бетона, равный высоте установок (vy = 0, vоп больше 0);

в) инфракрасные установки, смонтированные на подвесных лесах, движутся относительно конструкции (см. рис. 58, в) синхронно со скользящей опалубкой (vоп = vy больше 0);

г) по окончании бетонирования захватки сооружения скользящая опалубка останавливается (см. рис. 58, г), а инфракрасные установки поднимаются вверх (vоп = 0, vy больше 0). На этом этапе необходимо, чтобы скорость подъема установок не превышала средней скорости подъема опалубки.

Рис. 58. Схема инфракрасного обогрева бетона конструкции, возводимой в скользящей опалубке

а - начальное заполнение форм; б - бетонирование до отметки навески подвесных лесов; в - бетонирование средней части сооружения; г - обогрев после прекращения подъема форм; 1 - тепляк; 2 - щиты опалубки; 3 - рабочий пол; 4 - бетон; 5 - инфракрасные установки; 6 - подвесные леса

В соответствии с этим каждый слой бетона будет проходить:

а) предварительное выдерживание в течение времени

(76)

где hл и hy - соответственно высота подвижных лесов и инфракрасной установки, м;

б) разогрев в течение, времени

(77)

где hп - высота зоны разогрева, м;

в) изотермический прогрев в течение времени

(78)

где hи - высота зоны изотермического прогрева, м;

г) остывание, продолжительность которого зависит от конструкции тепляка, месторасположения прогреваемого участка, скорости подъема опалубки, массивности конструкции и температуры наружного воздуха.

В зоне термообработки бетон проходит две стадии - разогрев и изотермический прогрев. Для удобства расчетов инфракрасную установку условно делят по высоте на две зоны: зону нагрева (разогрева) и зону изотермического прогрева; энергетические расчеты ведут отдельно для двух зон, а общую мощность инфракрасной установки определяют как сумму мощностей обеих зон.

Примеры расчетов инфракрасных установок приведены в прил. 18.

РЕЖИМЫ ТЕРМООБРАБОТКИ БЕТОНА ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

11.14. Электротермообработка бетона с помощью инфракрасного излучения ведется по тем же режимам, что и при других методах электротермообработки (см. разд. 4 настоящего Руководства). Учитывая, однако, специфику подачи энергии с поверхности обогреваемой конструкции, стадией разогрева здесь считают период подъема температуры бетона на облучаемой поверхности с некоторой начальной tн до температуры изотермического прогрева tи.

При этом максимально допустимая скорость подъема температуры облучаемых поверхностей бетонных конструкций не должна превышать значений, указанных в табл. 59.

Таблица 59

Толщина конструкции, см Скорость подъема температуры поверхности конструкции, °С/ч, при нагреве
одностороннем двухстороннем
До 10
От 11 до 20
» 21 » 30
» 31 » 40 -
» 41 » 60 -

При отогреве промороженного бетона скорость разогрева поверхности облучения должна быть в пределах 10 - 15 °С/ч.

11.15. При применении инфракрасного обогрева бетона конструкций и сооружений, возводимых в скользящей опалубке, скорость разогрева должна соответствовать скорости подъема опалубки, но не превышать значений, указанных в табл. 59.

11.16. Учитывая повышенное испарение с облучаемых поверхностей при инфракрасном обогреве, последние должны быть тщательно укрыты гидроизоляционными материалами, пропускающими инфракрасные лучи: полиэтиленовой, полиамидной и другими прозрачными пленками.

По той же причине рекомендуется предварительное выдерживание бетона при низких положительных температурах.