СПОСОБ РАВНОМЕРНОГО РАЗОГРЕВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
METHOD OF UNIFORM HEATING OF CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к области строительства, а именно к производству железобетонных изделий и конструкций, и может быть использовано для электроразогрева бетонных и иных токопроводящих строительных смесей на строительных площадках и заводах строительной индустрии.
Предварительный электроразогрев бетонных смесей является технологическим приемом повышения начальной температуры свежеуложенного бетона. Применение его позволяет интенсифицировать процессы твердения бетона в ранние сроки, увеличивать сроки остывания забетонированной конструкции, получить более высокую прочность бетона к моменту его замерзания.
.
Известен способ электроразогрева бетонной смеси, посредством устройства, представляющего собой бункер, в котором установлены пластинчатые электроды (Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера, Москва. Стройиздат 1982). Способ заключается в том, что на размещенные в бункере для электроразогрева пластинчатые электроды подают переменный ток промышленной частоты на рабочем напряжении, как правило, 380В который разогревает бетонную смесь. Бункер для электроразогрева состоит из корпуса, выполненного из листовой стали толщиной не менее 4 мм, в котором размещают 3 - 6 пластинчатых электродов, токоподключающего устройства и затвора выгрузочного отверстия. Бункер для электроразогрева также оборудован вибратором и выполнен с возможностью поворота. Недостатком указанного способа является неравномерный разогрев бетонной смеси, так как на кромках пластинчатых электродов смесь перегревается, а в углах дна бункера недостаточно прогревается. Данное явление способствует внесению градиента температуры в смесь, что при последующем её укладывании и схватывании бетона приводит к развитию деструктивных процессов, и как следствие, к снижению механической прочности бетонной конструкции
Известен способ электроразогрева бетонной смеси (патент RU №2017610, опубл. 15.08.1994), в котором путем введения в нее электродов, воздействия на смесь электрическим током и вывода электродов из контакта с разогретой смесью, с целью обеспечения стабильности процесса разогрева за счет очистки электродов смесью, электроды в процессе электроразогрева вращают вокруг собственной оси со скоростью 3 - 60 об/мин. В бункер с бетонной смесью помещают электроды, смонтированные на крышке, и подают на них ток для разогрева смеси. При достижении необходимой температуры электроды отключают от сети и включают привод вращения электродов, которые перемешивают бетонную смесь. Затем привод вращения электродов отключают и раму с электродами извлекают из бетона. Таким образом решается проблема очистки электродов от цементного камня.
К недостаткам способа следует отнести значительные механические нагрузки, испытываемые электродами, и, как следствие, их деформация и истирание. Кроме того, конструкция электродной системы является сложной, металлоёмкой и трудно обслуживаемой.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ электроразогрева (патент RU №2200656 С1, опубл. 20.03.2003) посредством устройства, представляющего собой цилиндрическую ёмкость с электродами, расположенных парами. В каждой паре электроды располагают параллельно друг другу и симметрично относительно центральной оси емкости. Сначала прикладывают напряжение от источника питанияна одну пару электродов, затем эту пару отключают и одновременно прикладывают напряжениена следующую за ней пару. Таким образом, по мнению авторов, обеспечивается более равномерный разогрев бетонной смеси по её объёму.
В данном способе, хоть и в сравнительно меньшей степени, но всё же неизбежен неравномерный разогрев смеси. Обусловлено это тем, что между соседними электродами формируются «мёртвые зоны», в которых в любой момент времени будет отсутствовать электрический ток; в то время как центр является областью, через которую электрический ток протекает постоянно. Данное явление приводит к перегреву бетонной смеси в центре ёмкости и недостаточному прогреву в межэлектродном пространстве, что становится наиболее ощутимым при увеличении скорости разогрева, а также при снижении температуры стенок установки. Другой недостаток данной установки заключается в том, что имеются ограничения на форму ёмкости, ёмкость должна быть только цилиндрической формы. В противном случае заявленный эффект достигнут не будет.
В заявляемом изобретении поставлена задача обеспечить равномерный электроразогрев бетонной смеси по всему объёму.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого технического решения, заключается в расширении арсенала способов  электроразогрева бетонных смесей, а также в обеспечении равномерного разогрева смеси по всему объёму вне зависимости от формы ёмкости.
Технический результат достигается тем, что бетонную смесь помещают в ёмкость для разогрева со стационарно расположенными на её стенках электродами, на которые подают электрический ток, при этом в процессе разогрева бетонной смеси через заданные промежутки времени блоком автоматического управления путем опроса датчиков температуры, распределенных равномерно по объёму ёмкости и размещенных на стержнях, закрепленных в крышке емкости, измеряют распределение температуры в объеме бетонной смеси, определяют величину средней по объёму температуры бетонной смеси, сравнивают измеренную температуру бетонной смеси в области размещения каждого датчика температуры с величиной средней по объёму температуры бетонной смеси, определяют отклонение температуры в каждой точке измерения датчиком от средней по объёму и при наличии значений отклонения температуры больше или равных заранее заданному предельно допустимому значению, в зависимости от знака отклонения температуры при помощи блока управления соответственно  уменьшают или увеличивают величину тока, протекающего через области с отклонением температуры больше предельно допустимого.
Целесообразно задать значение предельно допустимого отклонения температуры в каждой точке измерения от средней температуры бетонной смеси равным 1°С.
Контроль температуры в объёме ёмкости осуществляется равномерно распределёнными в ней датчиками температуры. Ток, протекающий через любой из электродов может быть изменен по величине блоком автоматического управления, в том числе путем подключения\отключения от источника питания соседних с областью недогрева\перегрева электродов. Коммутирующее устройство блока управления позволяет подключать к источнику питания электроды в разных комбинациях (между любыми двумя электродами, между группами электродов, между электродом и группами электродов). Изменяя конфигурацию электрического поля блок автоматического управления изменяет плотность тока, протекающего через различные точки в объёме бетонной смеси, и, соответственно, изменяет конфигурацию температурного поля. Таким образом, в зависимости от величины сигналов, поступающих с датчиков температуры, блок автоматического управления постоянно устраняет неравномерности температурного поля.
На фиг.1 представлена емкость для разогрева бетонной смеси с подключенными контактами блока автоматического управления (БАУ) и коммутирующим устройством (КУ): а – поперечный разрез, б – продольный разрез в плоскости А-А, в – разрез в плоскости Б-Б крышки емкости разогрева.
На фиг. 2 показаны линии тока, протекающего в ёмкости разогрева:
а) в начальный момент времени разогрева, в котором ток подают на электроды двух противоположных стенок;
б) при перегреве, при котором отключают соседние с областью перегрева электроды;
в) при недогреве, при котором включают соседние с областью недогрева электроды.
На фиг. 3 изображен вариант выполнения коммутирующего устройства.
На фиг. 4 показана модель ёмкости для разогрева в сборе, без крышки (вид сверху).
Способ осуществляют следующим образом. В ёмкость для разогрева 1 помещают бетонную смесь. Разогрев смеси осуществляют пропусканием электрического тока через вмонтированные в стенки ёмкости электроды 2 (Фиг. 1), подключенные к источнику питания 3 через коммутирующее устройство 4. В начальный момент разогрева ток подают на электроды двух противоположных стенок (Фиг. 2а), величину которого определяют в зависимости от заданной величины скорости подъёма и конечного значения температуры разогрева. Продолжительность форсированного электроразогрева бетонной смеси до заданного температурного значения также определяется наличием электрических мощностей, темпом бетонирования, интенсивностью схватывания смеси и другими факторами и должна находиться в пределах 5 - 20 мин. При разогреве в течение менее 5 мин значительно возрастает требуемая электрическая мощность, а разогрев в течение более 20 мин может привести к недопустимому схватыванию смеси. Максимальная температура разогрева бетонной смеси назначается в зависимости от вида и минералогического состава применяемого цемента, требуемых сроков достижения заданной прочности, интенсивности процесса схватывания смеси и ряда других факторов и, как правило, не превышает 80 °С. Через заданные промежутки времени (например, 1 мин) блоком автоматического управления производят опрос датчиков температуры 5, распределенных равномерно по объёму ёмкости 1 и размещенных на стержнях 6, закрепленных в крышке емкости 1 и измеряют распределение температуры в объеме бетонной смеси. На основании полученных данных блоком автоматического управления 9 определяют величину средней по объёму температуры бетонной смеси, а затем сравнивают измеренную в области размещения каждого датчика температуру бетонной смеси с величиной средней температуры и определяют отклонение от средней температуры в каждой точке измерения. При наличии значений отклонения температуры больше или равных заранее заданному предельно допустимому значению, блок управления 9 через коммутирующее устройство 4 в зависимости от знака отклонения температуры соответственно уменьшает или увеличивает величину тока, протекающего через электроды, находящихся вблизи точки измерения.
Коммутирующее устройство 4 (Фиг. 3) представляет собой набор контактных или бесконтактных ключей, обеспечивающий возможность подключения любого из электродов 2 к любому из выводов источника питания 3. Контроль температуры смеси осуществляется датчиками температуры 5, размещенными на стержнях 6 (Фиг. 1). Расположение датчиков выбирается таким образом, чтобы контролировать температуру между парами электродов, распложенных на противоположных стенках емкости. Стержни 6 являются съёмными и погружаются в ёмкость через втулки 7, вмонтированные в крышку 8 (Фиг. 1в).
Блок автоматического управления 9 сравнивает показания с каждого датчика 5 со средней температурой, выявляя перегрев или недогрев в объеме бетонной смеси. При перегреве, то есть превышении температуры (например более чем на 1°С) относительно средней температуры бетонной смеси блок автоматического управления 9 подаёт сигнал на уменьшение пропускаемого тока либо отключение электрода или группы электродов, находящихся вблизи данной области (Фиг. 2б). При недогреве, то есть отклонении от средней температуры в меньшую сторону более, чем на 1°С блок автоматического управления 9 подаёт сигнал на увеличение пропускаемого тока, либо подключение соседних ранее отключенных электродов (Фиг. 2в). Причём подключаемые электроды могут располагаться произвольным образом, как на одной стенке, так и на примыкающей к ней под углом.
По окончанию разогрева смеси блок автоматического управления 9 подаёт сигнал на отключение всех электродов от источника питания. Стержни 6 извлекаются из ёмкости 1, очищаясь о края вмонтированных в крышку 8 ёмкости 1 втулок 7. Стенки ёмкости 1, крышка 8, стержни 6 футерованы, а втулки 7 изготовлены из диэлектрического материала, обладающего пониженной адгезией. Таким образом, осуществляется электрическая изоляция указанных элементов и снижается интенсивность налипания на них бетонной смеси.
Пример практической реализации. Была изготовлена модель ёмкости для разогрева бетонной смеси (Фиг. 4) с шарнирно-открывающимися стенками, выполненными из фторопласта, в которые были вмонтированы стальные электроды. Внутренние размеры формы соответствовали стандартным размерам бетонных лабораторных образцов – 100х100х100 мм. Смесь разогревалась до температуры 80°С, ее удельное сопротивление в начальный момент времени разогрева составляло 420 Ом·см. Напряжение сети было равным 110 В. Измерение температуры датчиками показало, что максимальное отклонение температуры в объеме бетонной смеси относительно величины средней температуры не превышало 1°С (табл. 1).
Таблица 1. Температуры разогрева бетонной смеси
Момент времени, мин
Заданная температура, °С
Средняя температура, °С
Максимальное отклонение от средней температуры, °С
0
20
20,79
0,79
1
23
22,03
-0,97
2
26
26,06
0,06
3
29
28,46
-0,54
4
32
32,58
0,58
5
35
35,69
0,69
6
38
37,81
-0,19
7
41
41
0
8
44
44,54
0,54
9
47
46,94
-0,06
10
50
50,35
0,35
11
53
53,7
0,7
12
56
55,46
-0,54
13
59
58,1
-0,9
14
62
62,31
0,31
15
65
65,04
0,04
16
68
68,9
0,9
17
71
71,02
0,02
18
74
73,38
-0,62
19
77
77,54
0,54
20
80
80,58
0,58
Результатом предлагаемого изобретения является обеспечение более равномерного разогрева смеси по всему объёму ёмкости вне зависимости от её формы и расширение арсенала технических средств, применяемых в области электроразогрева бетонных смесей.