ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ БЕТОНА

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

10.1.Индукционный способ термообработки бетона основан на использовании магнитной составляющей переменного электромагнитного поля для нагрева стали вследствие теплового действия электрического тока, наводимого электромагнитной индукцией.

При индукционном нагреве энергия переменного электромагнитного поля преобразуется в арматуре или стальной опалубке в тепловую и передается теплопроводностью бетону.

10.2. Индукционный способ может быть применен как для термообработки бетона некоторых типов монолитных конструкций в условиях строительной площадки, так и для ускорения твердения бетона конструкций при изготовлении их в условиях припостроечных полигонов.

Индукционный нагрев позволяет вести термообработку бетона монолитных железобетонных каркасных конструкций (колонны, ригели, балки, прогоны, элементы рамных конструкций, отдельные опоры); замоноличивания стыков каркасных конструкций; сталебетонных и сборно-монолитных конструкций; омоноличивания каркаса и усиления каркасных конструкций; монолитных железобетонных сооружений, возводящихся в скользящих, подъемно-переставных и катучих опалубках (стволы труб, силосов, ядер жесткости, коллекторы и т.п.); железобетонных изделий в условиях припостроечных полигонов (ригели, балки, колонны, перемычки, сваи, опоры, трубы, колодцы, элементы элеваторов и т.п.).

10.3.Индукционный нагрев насыщенных арматурой каркасных конструкций и конструкций, возводящихся в стальной опалубке, обладает рядом достоинств:

органически просто осуществляется собственно прогрев бетона насыщенных металлом конструкций;

обеспечивается равномерное по сечению и длине конструкций температурное поле;

легко и быстро без дополнительных источников тепла осуществляется отогрев арматуры, жесткого каркаса, металлической опалубки, а также при необходимости отогрев ранее уложенного и замороженного бетона;

обеспечивается возможность круглогодичного использования металлической опалубки;

исключается расход стали на электроды.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ

10.4. Глубина проникновения Δs, м, тока частотой f, Гц, в металл, имеющий удельное электросопротивление ρs, Ом · м, и магнитную проницаемость μ определяется по формуле

(47)

10.5. Активная мощность ΔP, кВт/м2, выделяющаяся с единицы поверхности металла, обладающего поверхностным сопротивлением ρн, Ом, и находящегося в переменном магнитном поле напряженностью H, А/м, выражается формулой

ΔP = ρнH2, (48)

где

(49)

Зависимость ΔP и ρн от напряженности магнитного поля H для сталей с различным удельным электросопротивлением представлена на рис. 52.

Рис. 52. Зависимость удельного поверхностного электросопротивления ρн и удельной активной мощности ΔP от напряженности магнитного поля H

1 - для стали с удельным электросопротивлением ρs = 10 · 10-8; 2 - для ρs = 20 · 10-8; 3 - для ρs = 30 · 10-8 Ом · м

10.6. Расчет потребной удельной активной мощности ΔP и соответственно остальных параметров индукционных систем производится исходя из величины общей активной мощности Pas, кВт, необходимой для обеспечения заданного режима термообработки и определяется по формуле

Pas = PпV, (50)

где Pп - требуемая удельная тепловая мощность, кВт/м3, определяется по формуле (8).

10.7. Удельная активная мощность, необходимая для термообработки конструкции с активной поверхностью металла Sa, м2, определяется по формуле

(51)

10.8. В зависимости от вида и конструктивных особенностей железобетонных конструкций термообработка их индукционным способом может быть осуществлена по одной из двух принципиальных схем: по схеме индуктивной катушки с железом и по схеме трансформатора с сердечником.

10.9. Схема индуктивной катушки с железом имеет место в том случае, когда элемент железобетонной конструкции в процессе термообработки находится в полости индукционной обмотки, выполненной в виде цилиндрического, прямоугольного, трапециевидного и тому подобного соленоида. При термообработке по этой схеме тепло в основном выделяется в ферромагнитных элементах (арматура, жесткий каркас, стальная опалубка, форма), направление которых совпадает с направлением оси соленоида. Незначительная часть тепла выделяется в металлических замкнутых элементах (хомуты арматуры, опалубка), плоскость которых перпендикулярна оси соленоида.

10.10. Схема трансформатора с сердечником имеет место в том случае, когда в полости железобетонного изделия или сооружения расположен магнитопровод (или группа магнитопроводов) с индукционной обмоткой. Здесь тепло в основном выделяется в электрически замкнутых металлических элементах (замкнутая металлическая форма, опалубка, арматурные хомуты или замкнутая поперечная арматура, кольцевая арматура и т.д.), плоскость которых перпендикулярна оси магнитопровода.

10.11. Выбор режима индукционного нагрева и определение необходимых мощностей производится в соответствии с указаниями разд. 4 настоящего Руководства.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПО СХЕМЕ ИНДУКТИВНОЙ КАТУШКИ С ЖЕЛЕЗОМ

10.12. Расчет параметров индукционной системы заключается в определении:

числа витков N индукционной обмотки (индуктора) при выбранном напряжении U;

силы тока в индукторе I, А;

коэффициента мощности cos φ;

полной мощности системы Pс, кВА;

мощности конденсаторной батареи Pк, кВАр;

емкости конденсаторной батареи Cк, мкФ, для компенсации реактивной мощности.

10.13. Число витков индуктора N определяется по формуле

(52)

где V - выбранное напряжение, В;

H - напряженность магнитного поля индуктора, определяемая по рис. 52 в зависимости от удельной мощности ΔP, А/м;

Z0 - приведенное полное сопротивление системы, Ом, определяемое по формуле

(53)

где

rо = 1,1ρнSПsFs; (54)

ωLо = 4,10-4Sim + ρнSПsQs; (55)

SПs - сумма периметров сечения металла (арматуры, каркаса, опалубки), м;

Fs и Qs - безразмерные коэффициенты сопротивления, определяемые для листовой стали толщиной Δ, м, в зависимости от отношения по рис. 53, для стержневой арматуры радиусом r, м, в зависимости от отношения по рис. 54;

m - безразмерный коэффициент формы индуктора, зависящий от отношения длины (высоты) индуктора к его радиусу и определяемый по графику рис. 55;

Si - площадь сечения индуктора, м2.

Рис. 53. Зависимость безразмерных коэффициентов сопротивления Fs и Qs для металлической плиты (листа) от относительной толщины плиты (листа)

Рис. 54. Зависимость безразмерных коэффициентов сопротивления для металлического стержня от аргумента

Рис. 55. Коэффициент формы индуктора m в зависимости от отношения высоты индуктора hi к его радиусу Ri

10.14. Сила тока I индуктора длиной (высотой) h определяется по формуле

10.14. Сила тока I индуктора длиной (высотой) h определяется по формуле

(56)

10.15. По величине тока, полученной по формуле (56), подбирается сечение провода (кабеля, шины) индуктора. Если по каким-либо причинам, полученная величина силы тока не может быть принята для прогрева, производят перерасчет. Для этого, задаваясь допустимой для данных условий величиной силы тока и сохраняя неизменной величину H, находят по формуле (52) необходимое напряжение.

10.16. Расчет параметров для изотермического прогрева сводится к определению напряжения исходя из формулы (52), которое при сохранении полученного расчетом числа витков индуктора, обеспечивало бы соблюдение заданного режима изотермического прогрева.

10.17. Коэффициент мощности системы cos φ определяется по формуле

(57)

10.18. Полная мощность системы Pс определяется по формуле

(58)

Пример расчета индукционной системы по схеме индуктивной катушки с железом приведен в прил. 17 (пример 1).

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПО СХЕМЕ ТРАНСФОРМАТОРА С СЕРДЕЧНИКОМ

10.19. Исходя из заданного режима термообработки и конкретных размеров конструкции расчетом определяются количество витков намагничивающей обмотки N, сила тока I, коэффициент мощности cos φ и полная мощность Pс.

10.20. Число витков намагничивающей обмотки N при полной мощности системы Pc, выбранном напряжении U и напряженности магнитного поля H, определенной исходя из удельной активной мощности ΔP или по графику рис. 52, находится по формуле

(59)

где

(60)

Fs - площадь зазора между намагничивающей обмоткой на магнитопроводе и нагреваемым изделием.

10.21. Сила тока в намагничивающей обмотке при выбранном напряжении U определяется по формуле

(61)

10.22. Коэффициент мощности системы cos φ определяется по формуле

(62)

Пример расчета параметров индукционной системы по схеме трансформатора с сердечником приведен в прил. 17 (пример 2).

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

10.23. Компенсация реактивной мощности производится путем подключения к цепи батарей конденсаторов (например, бумажно-масляных конденсаторов типа КМ).

10.24. Расчет требуемой мощности батарей конденсаторов ведется в следующем порядке:

1. Определяется величина cos φ системы и вычисляется tg φ;

2. Устанавливается требуемая величина коэффициента мощности cos φ, до которой нужно компенсировать реактивную мощность, и вычисляется tg φ;

3. По известной активной мощности Pas определяется необходимая мощность батареи конденсаторов, измеряемая в кВАр:

Pк = 1,1Pas(tg φ - tg φi); (63)

4. Емкость конденсаторной батареи Cк, мкФ, необходимая для полной компенсации реактивной мощности, определяется по формуле

(64)

где Uк - напряжение на конденсаторе.

ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ

ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ

10.25. При индукционном нагреве бетона принимается следующий порядок производства работ:

1) установка и утепление опалубки;

2) устройство индуктора;

3) предварительный отогрев металла (арматуры, каркаса, опалубки) и ранее уложенного бетона (при необходимости);

4) укладка бетона;

5) прогрев бетона по принятому режиму;

6) регулируемое (при необходимости) остывание.

10.26.До начала бетонирования по наружной поверхности опалубки с двух противоположных сторон конструкции выставляются шаблоны с пазами для размещения витков индуктора. Количество пазов должно соответствовать расчетному числу витков индуктора. В центральной части конструкции, равной 3/5 ее длины (высоты), пазы располагаются равномерно с шагом h/N, а к торцам конструкции шаг сокращается до 0,5h/N.

В пазы шаблонов последовательными витками укладывается изолированный провод (типа ПРГ, АПРГ и т.п.), соответствующий расчетной токовой нагрузке, и созданный таким образом индуктор подключается к питающей сети.

10.27.У торцов конструкции, соприкасающихся с ранее уложенным бетоном или с холодным воздухом, происходит интенсивный отсос тепла из примыкающих к ним зон. Для компенсации теплопотерь в торцах расчетную высоту (длину) индуктора следует увеличивать на 10 - 20см в обе стороны.

10.28.При больших объемах бетона и значительной длине провода индукционной обмотки целесообразно составлять индуктор из отдельных секций. Длина секции при этом подбирается таким образом, чтобы ее вес не превышал 15 - 20 кгс. Оба конца секции должны иметь стандартные наконечники под болтовое соединение.

10.29.При необходимости термообработки большого количества конструкций одного типоразмера целесообразно изготовление и использование инвентарных разъемных индукторов.

10.30.При прохождении по индуктору одного и того же тока количество выделяемого тепла будет больше в конструкции с металлической опалубкой, так как площадь источников тепла будет больше на величину, равную удвоенной поверхности металлической опалубки. Следовательно, для разогрева по заданному режиму бетона в металлической опалубке понадобится меньшая, чем для конструкции в деревянной опалубке, сила тока и, естественно, меньшая установленная мощность.

Кроме того, при применении металлической опалубки в сечении конструкции формируется более равномерное температурное поле, что позволяет разогревать те же конструкции с более высокой скоростью (табл. 55).

Таблица 55

Вид армирования Скорость разогрева бетона при модуле поверхности конструкции, °С/ч
5 - 6 7 - 9 10 - 12
Стержневая арматура 3/5 5/8 8/10
Жесткий каркас 5/8 8/10 10/15
Стержневая арматура и жесткий каркас 8/8 10/10 15/15

Примечание. Над чертой приведены скорости для конструкций, возводимых в неметаллической; под чертой - в металлической опалубке.

10.31. При возведении конструкций в стальной опалубке во избежание теплопотерь целесообразно устраивать простейшую теплоизоляционную рубашку из мешковины, парусины и т.п.

10.32. После установки индуктора производят, если это необходимо, предварительный отогрев арматуры, жесткого каркаса, закладных деталей или участков стыкуемых элементов.

Предварительный отогрев осуществляется включением индуктора по режиму разогрева на время, достаточное для отогрева металла.

Предварительный, перед укладкой бетонной смеси, отогрев металла и арматуры при применении индукционного метода безусловно обязателен только при наличии на металле наледи. В остальных случаях отогрев арматуры можно начинать вместе с началом бетонирования и во время перерывов в бетонировании.

10.33. Для повышения конечной прочности бетона рекомендуется выдерживать его в течение нескольких часов при низких положительных температурах (не ниже 5 °С), что достигается периодическим включением индуктора на 5 - 10 мин в каждый час предварительной выдержки.

10.34. При термообработке сборно-монолитных конструкций следует принять меры к сохранению тепла аккумулированного сборными элементами в процессе их предварительного разогрева и использованию этого тепла для прогрева бетона монолитной части.

10.35. Скорость подъема температуры бетона в период разогрева устанавливается в зависимости от модуля поверхности прогреваемой конструкции, характера армирования конструкции и материала опалубки по табл. 55.

10.36. При термообработке длинномерных конструкций в условиях припостроечных полигонов с целью обеспечения сцепления арматуры с бетоном в зоне анкеровки укладку бетона следует производить только на предварительно отогретую арматуру. При укладке горячих бетонных смесей предварительный отогрев арматуры не требуется.

10.37. Поддержание температуры изотермического прогрева достигается либо переключением индуктора на более низкое напряжение, полученное по расчету, либо обеспечением импульсного режима путем периодического включения и отключения напряжения.

Силу тока в индукторе, а следовательно, и мощность тепловыделения на период изотермического выдерживания можно понизить переключением схемы соединения групп прогреваемых конструкций с параллельной на последовательную, с треугольника на звезду.

10.38. Эффективным методом термообработки бетона является комбинированный метод, представляющий собой сочетание индукционного метода нагрева и предварительного электроразогрева бетонных смесей.

Применение такого комбинированного метода позволяет воспользоваться достоинствами обоих методов и компенсировать их недостатки.

Укладка разогретых бетонных смесей делает возможным применение индукционного нагрева и для слабоармированных конструкций, возводящихся в стальной опалубке. С другой стороны, применение индукционного нагрева позволяет воспользоваться предварительным электроразогревом для укладки бетона в металлическую опалубку.

Использование индукционного нагрева позволяет расширить область применения предварительного электроразогрева для конструкций с модулем поверхности до 10 - 12.

10.39.Особое внимание в период остывания следует обращать на утепление арматуры (и приарматурной зоны бетона), выходящей из прогретого бетона и контактирующей с холодным воздухом.