Вплив індукційного прогріву на міцнісні характеристики залізобетонних виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 666. 97. 035

Вплив індукційного прогріву на міцнісні характеристики залізобетонних виробів

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Ніколаєва Олена Климівна

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі архітектури та будівельних конструкцій в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Рогулін Вадим Валентинович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, доцент кафедри архітектури і будівельних конструкцій

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Афанасьєв Микола Фірсович, Луганський національний аграрний університет, професор кафедри технології та організації будівельного виробництва

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Азутов Володимир Павлович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач лабораторії.

Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва та архітектури, кафедра технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України, м. Макіївка

Захист дисертації відбудеться "18" червня 2003 р. о 13⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ - 37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий "15" травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Блажіс Г.Р.

бетон міцність індукційний прогрів

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний рівень нового будівництва і реконструкції існуючих будівель вимагає впровадження високопродуктивних, ресурсозберігаючих і екологічно чистих технологій, що забезпечують автоматизацію виробництва, систем контролю і керування якістю виробів, поліпшення санітарно-гігієнічних умов виробництва, раціональне використання водних і мінеральних ресурсів, застосування вторинних продуктів і відходів промисловості.

Пріоритетним напрямком енергозбереження та підвищення ефективності виробництва в галузі прискорення твердіння бетону є застосування електротермообробки залізобетонних виробів для збірного та монолітного варіантів будівництва, про що засвідчують характеристики зіставлення енергетичного балансу альтернативних технологій.

Одним з найбільш ефективних методів електротермооброблення залізобетонних виробів є індукційний прогрів, застосовуваний як в умовах монолітного, так і заводського домобудівництва. Найважливішими перевагами цього методу є об'ємне нагрівання виробів, формування рівномірного температурного поля, можливість застосування різних схем армування, електробезпечність, гнучкість і висока точність керування. Однак переваги методу можуть бути повною мірою використані лише в тому випадку, якщо є точне уявлення про ті залежності, яким підпорядковується метод і в цілому, і в окремих його частинах. Тому одним зі шляхів підвищення ефективності прискорення твердіння бетону цим методом є встановлення розрахункових залежностей впливу параметрів і характеру прогріву на зміну міцнісних характеристик бетону під час теплового оброблення і на етапі експлуатації виробів.

Передбачення результатів технологічного циклу підвищить надійність експлуатації конструкцій, дасть можливість оптимізувати параметри виробничого процесу з метою зниження енергоємності виробництва, що підкреслює актуальність роботи у зв'язку з прийняттям Закону України " Про енергозбереження" від 01.07.94 р. № 74/94 - ВР і програмного документа "Державна науково - технічна програма енергозбереження в житловому та цивільному будівництві", розробленого Держбудом України в 1994 році.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана автором у Донбаському гірничо-металургійному інституті (ДГМІ, м. Алчевськ ) у відповідності до госпдоговірної науково-дослідної теми № 2195 “Дослідження впливу індукційного нагрівання при термообробці збірних залізобетонних виробів” укладеної з Комунарським заводом ЗБВ-11 з 01.01.90 р. по 31.12.90 р. Здобувач виконувала обов'язки стажиста-дослідника.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка комплексу розрахункових прийомів, що забезпечують прогнозування закономірностей кінетики міцності залізобетонних виробів у залежності від параметрів індукційного прогріву, для чого необхідно вирішити такі завдання:

експериментально визначити закономірності зміни міцності бетону в ході індукційного прогріву в залежності від температури та часу прогрівання;

експериментально встановити вплив індукційного прогріву на кінцеву міцність бетону;

експериментально визначити вплив індукційного прогріву на зміну модуля пружності бетону в порівнянні з нормальними умовами твердіння;

визначити коефіцієнт умов роботи бетону, що твердів в електромагнітному полі;

розробити науково обґрунтовану методику розрахунку міцності бетону, який піддається індукційному прогріву;

визначити значення коефіцієнтів розроблених залежностей для розрахунку міцності бетону;

запропонувати мобільний варіант пристроїв індукційного прогріву залізобетонних виробів для збірного і монолітного варіантів виробництва;

здійснити дослідно-промислову перевірку розробленої методики.

Об'єктом досліджень є процес прискорення твердіння бетону за допомогою теплових методів.

Предметом досліджень є кінетика міцнісних характеристик бетону, який піддається індукційному прогріву.

Методи досліджень: логічний аналіз і теоретичне узагальнення - для оцінки апріорної інформації з існуючих способів теплового оброблення залізобетонних виробів і методів розрахунку міцності бетону; рандомізація і ранжирування - при плануванні експерименту; стандартний метод визначення міцності, ультразвуковий метод і кореляційно-регресійний аналіз - для оцінки впливу параметрів індукційного прогріву на міцнісні характеристики бетону; математичний аналіз - для вивчення характеру розглянутих у роботі залежностей міцності бетону, ступеня гідратації цементу і коефіцієнта пропорційності між ними; математичне моделювання - для розробки удосконалених залежностей міцності бетону, ступеня гідратації цементу та коефіцієнта пропорційності; метод найменших квадратів - для визначення чисельних значень коефіцієнтів моделей з експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено можливість одержання науково обґрунтованих розрахункових закономірностей кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву шляхом перетворення емпіричної залежності для нормальних умов твердіння за рахунок введення характеру температурного навантаження та обліку впливу індукційного прогріву на кінцеву міцність бетону, що дозволить теоретично визначити характер протікання процесу, а за наявності числових значень коефіцієнтів - значення міцності в ході прогріву;

теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено необхідність диференціації значень коефіцієнта умов роботи бетону при визначенні адекватних даному методу прогріву опорів бетону для розрахунку залізобетонних виробів за першою групою граничних станів;

встановлено значення коефіцієнта умов роботи бетону для виробів, які піддавались індукційному прогріву та призначені для звичайних умов експлуатації;

на підставі відомої раніше моделі розроблено модифіковану залежність ступеня гідратації цементу від часу та температури прогріву, що враховує характеристики фізичної реалізованості цього явища;

удосконалено базову для усіх видів теплової обробки закономірність кінетики міцності бетону шляхом обліку характеру температурного навантаження, що дозволить використовувати її для опису технологічних прийомів прискорення твердіння бетону, де як змінні чинники виступають температура та час.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено методику розрахунку міцності бетону при індукційному прогріві залізобетонних виробів, що дозволяє визначити параметри набирання міцності для бетонів на портланд- і шлакопортландцементі за різних технологічних умов;

визначено чисельні значення коефіцієнтів залежності міцності бетону від параметрів індукційного прогріву, що дозволяють розрахувати міцність бетону на портланд- та шлакопортландцементі за режимів, близьких до вихідного;

розроблено методику розрахунку оптимальних параметрів індукційного прогріву для одержання необхідного значення міцності бетону за мінімальних витрат;

визначено значення коефіцієнта умов роботи бетону виробів, що тверділи в електромагнітному полі та призначені для звичайних умов експлуатації, для розрахунку за першою групою граничних станів;

розроблено мобільний варіант технології індукційного прогріву шляхом заміни суцільного контуру обмотки на дискретні елементи, котрі працюють за принципом "ефекту близькості", що значно розширить кількість типорозмірів виробів, які прогріваються як в умовах стаціонарного виробництва, так і на будівельному майданчику.

За результатами роботи розроблена технологічна інструкція ТИ 229-099-РСУ-027-6-2002 р. на виготовлення та індукційний прогрів бетонних виробів (блоків фундаментних, бордюрів, плит тротуарних) на Алчевському металургійному комбінаті, яка затверджена головним інженером комбінату від 05.08.02 р. і технологічна інструкція на виготовлення та індукційний прогрів плит перекриття по серії 1.041.1-2 на Алчевському заводі КПД, яка затверджена головою правління від 21.09.01 р.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі літературних джерел, плануванні та проведенні експериментальних і теоретичних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених методик у виробництво.

Особистий внесок здобувача в наукові праці:

1. Николаева Е.К. Общая формула кинетики прочности бетона в ходе индукционного прогрева // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. - К.: НДІБК. - 2002. - Вып. 57. - С.137-140.

2. Пушко (Николаева) Е.К. О построении кинетики прочности бетона при индукционном нагреве // Конструкции гражданских зданий: Сб. научн.тр.-К.: Киев ЗНИИЭП.-1999. - С.82-84.

3. Пушко (Николаева) Е.К. Об эффективности индукционного нагрева при тепловой обработке железобетонных изделий // Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону: Зб. наук. пр.- К.:НДІБК. - 1999. - С.365.

4. Рогулин В.В., Николаева Е.К. Влияние индукционного прогрева на значение коэффициента условий работы бетона // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА. - 2002. - №11. - С.39-42.

Теоретично обґрунтовано і практично підтверджено необхідність диференціації значень коефіцієнтів умов роботи бетону з метою обліку характеру теплової обробки. Визначено значення коефіцієнта умов роботи бетону, який піддавався індукційному прогріву.

5. Рогулин В.В., Бондарчук В.В., Николаева Е.К. Применение накладных индукционных нагревателей для прогрева бетонной смеси // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА. - 2002. - №12. - С.38-41.

Наведено принципи модифікації промислового індуктора і розроблена на підставі цього схема лінійного накладного індуктора для прогрівання залізобетонних виробів. Подано результати експериментальних досліджень з апробації накладних індукційних нагрівачів.

6. Рогулин В.В., Николаева Е.К. Определение коэффициента условий работы бетона, подвергнутого тепловой обработке индукционным нагревом // Зб. наук. пр. Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ. - 2002.- № 17(29). - С.186-190.

Наведено класифікацію коефіцієнтів умов роботи бетону для вивчених випадків за чинниками, що зумовлюють їхнє введення. Викладено методику визначення коефіцієнта умов роботи бетону, який піддавався індукційному прогріву. Отримано результати визначення міцності бетону і коефіцієнта для розглянутих режимів, призначено оптимальне значення коефіцієнта для розрахунку виробів.

7. Рогулин В.В, Николаева Е.К., Симонова И.Н. К вопросу определения прочности индукционно прогретого бетона // Сб. научн. тр. Донбасского горно-металлургического института. - Алчевск: ДГМИ. - 2002. - Вып.15. - С. 281-285.

Викладено принципи розробки базової закономірності кінетики міцності бетону в ході теплової обробки. Запропоновано модифіковану залежність ступеня гідратації цементу від параметрів прогріву на основі експонентної функції.

8. Рогулин В.В., Пушко (Николаева) Е.К. Использование индукционного нагрева при тепловой обработке железобетонных изделий // Зб. наук. пр. Луганського сільськогосподарського інституту. - Луганськ: ЛСГІ. - 1998. - С. 209-213.

Запропоновано схему розміщення установки для індукційного прогріву в ямній пропарювальній камері. Експериментально встановлено принципову можливість проведення індукційного прогріву в ямних камерах.

9. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К Экспериментальные исследования режимов елетротермообработки бетонов // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. “Новые методы расчета, материалы и технологии в строительстве”. - Алчевск: ДГМИ. - 1993. - С. 215-217.

Представлено результати експериментальних досліджень одно- та двоступінчастих режимів індукційного прогріву зразків, здійснюваного за допомогою дискретної обмотки.

10. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К. Ускорение твердения бетона при помощи индукционного прогрева // Материалы межведомственной научно-техн. конф. “Новые материалы и технологии в строительстве”. - Алчевск: АГМИ. - 1992. - С. 69-70.

Експериментально доведена технологічна та економічна ефективність застосування лінійних накладних нагрівачів індукційного типу для теплової обробки залізобетонних виробів.

11. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К. Применение индукционного нагрева для термообработки сборных железобетонных изделий // Информационный листок №150-92. - Луганск: ЦНТЭИ. - 1992. - 4с.

На підставі результатів експериментальних досліджень на Алчевському заводі ЗБВ-11 показана ефективність застосування індукційного прогріву як альтернативної паропрогріву технології.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжвідомчій науково-технічній конференції “Нові матеріали і технології в будівництві” ( Алчевськ, 1992 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Новые методы расчета, материалы и технологии в строительстве” ( Алчевськ, 1993 р.); на науково-технічних конференціях у Луганському національному аграрному університеті ( Луганськ, 1998 р., 2002 р.); на Другій всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” ( Київ, НДІБК, 1999 р.).

Публікації: За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі 4 публікації - у наукових фахових виданнях, 3 - у наукових збірниках, 3 повідомлення - в тезах конференцій, 1 інформаційний листок.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 134 сторінках основної частини тексту і складається з вступу, п'яти розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 183 сторінки і включає поряд з основною частиною 27 таблиць, 44 рисунки, список використаних джерел з 121 найменування, 8 додатків, що включають 18 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та основні завдання досліджень, визначені його об'єкт і предмет, розкриті наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі наведено огляд стану наукової розробки теми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Аналіз сучасних методів теплової обробки залізобетонних виробів показує, що одним із пріоритетних напрямків енергозбереження і підвищення ефективності виробництва в галузі прискорення твердіння бетону є застосування електротермообробки як в умовах стаціонарного виробництва, так і на будівельному майданчику. Про економічну доцільність електротермообробки залізобетонних виробів свідчать характеристики порівняння енергетичного балансу: питома витрата умовного палива в 1,5 - 3,5 раза менша ніж при пропарюванні. А при використанні електроенергії сонячних, геотермальних, вітрових і гідроелектростанцій економічний ефект істотно зростає тому, що собівартість енергії через відсутність витрат на паливо в 4 - 6 разів нижча собівартості теплових і атомних станцій.

З відомого переліку методів електротермообробки збірного і монолітного залізобетону однією з найбільш ефективних по техновиробничих характеристиках є технологія індукційного прогріву. Дослідження Р.В. Вєгєнера, Л.Я. Волосяна, В.Б. Євдокімова, В.І. Классена, Л.А. Комісарова, А.П. Кравчинського, Б.М. Красновського, З.М. Ларіонової, С.А. Миронова, А.В. Нєтушила, , С.Г. Романовського, М.Т. Солдаткіна, С.Х. Ярлушкіної та ін. показали, що найважливішими перевагами цього методу теплової обробки є:

об'ємне нагрівання виробів, що дозволяє створити найбільш сприятливі умови твердіння бетону, унаслідок чого досягається практично рівномірне прогрівання виробів з градієнтом температури приблизно 1⁰ С/см (проти 2-3⁰ С/см при пропарюванні і електрообігріванні);

наявність у матеріалі рівномірного температурного поля дозволяє інтенсифікувати процес нагрівання виробів без виникнення значних температурних перепадів і зон концентрації напруг;

індукційний прогрів може застосовуватися для конструкцій, густо насичених арматурою, незалежно від масивності виробу;

кількість теплоти, що виділяється, не залежить від реологічних властивостей бетонної суміші, що постійно змінюються в ході нагрівання;

електробезпечність методу, гнучкість і висока точність керування.

Реалізація індукційного прогріву збірних залізобетонних виробів у теперішній час здійснюється за допомогою таких установок: електромагнітні камери-ковпаки для ненапірних розтрубних труб великих діаметрів, багатосекційні електроіндукційні установки для віброгідропресованих труб невеликого діаметра (500 мм), індукційні камери для плитних виробів. Перераховані вище пристрої забезпечують високу якість прогрівання і точне дозування енергії, наявність декількох каналів керування, але не мають можливості їхнього багатофункціонального використання (зокрема для монолітного будівництва), тому що жорстко пов'язані з формою конструкцій і технологією їхнього виготовлення.

Крім того, у теорії індукційного прогріву існує ряд нез'ясованих питань. Один з найбільш спірних моментів - вплив індукційного прогріву на кінцеву міцність бетону. З цього приводу існують різні версії:

при впливі електромагнітного поля міцність бетону збільшується внаслідок зміни фізико-хімічних процесів твердіння (В.І. Классен, В.Б. Євдокимов, А.П. Кравчинський);

міцність бетону в віці 28 діб, який піддавався індукційному прогріву, істотно не відрізняється від міцності за нормальних умов твердіння (С.А. Миронов);

в бетоні в віці 28 діб спостерігається недобір міцнісних показників проти нормальних умов твердіння (З.М. Ларіонова, С.Х. Ярлушкіна).

Очевидно, що для вирішення існуючої проблеми необхідно провести додаткові дослідження, тому що відхилення від запроектованої міцності повинно бути відображено при визначенні нормативних і розрахункових опорів бетону шляхом введення коефіцієнта умов роботи бетону .

У теперішній час існуючі значення коефіцієнтів умов роботи бетону _ві для вивчених випадків подані в СНиП 2.03.01 - 84* “Бетонные и железобетонные конструкции”. При цьому нормальні умови твердіння і всі можливі види теплової обробки бетону об'єднані одним значенням коефіцієнта умов роботи - , що не враховує характер теплового впливу. Однак умови твердіння (максимальна температура, швидкість зміни температури, напрямок подавання тепла) відіграють істотну роль у формуванні напруженого стану в бетоні. Цей чинник відображається в свою чергу на кінцевій міцності бетону. Урахування відхилення міцності та інших фізико-механічних характеристик (у тому числі модуля пружності) повинно бути проведено шляхом призначення коефіцієнта умов роботи бетону (І.І. Гольденблат, В.М. Кєлдиш, М.С. Стрєлецький, К.Є. Таль). Тому індукційний прогрів вимагає визначення свого коефіцієнта , який необхідно враховувати при розрахунку конструкцій, підданих такій обробці.

Крім того, технологія індукційного прогріву не забезпечена теоретичними закономірностями зростання міцності бетону в ході прогріву в залежності від параметрів процесу. Існуючі експериментальні графічні та табличні залежності спричинені визначеними умовами постановки експерименту і вихідних матеріалів, тобто є приватними закономірностями і не можуть бути покладені в основу оптимізації технології і прогнозування властивостей бетонів різних складів (І.О. Риб'єв).

Важливим моментом є і те, що перехід від емпіричних залежностей до науково-обгрунтованих закономірностей відповідає сучасному рівню розвитку науки і техніки та забезпечує високу точність розрахункових результатів. Теоретичні дослідження з розробки розрахункових закономірностей зростання міцності бетону були проведені свого часу для паропрогріву, як для найбільш масового методу теплової обробки залізобетонних виробів, а для індукційного прогріву дослідницькі пошуки здебільшого були спрямовані на розробку технічних характеристик пристроїв і режимів прогрівання.

Аналіз теоретичних положень у методології прогнозування міцності бетону для нормальних умов твердіння і паропрогріву дозволяє висунути наукову гіпотезу щодо можливості врахування впливу індукційного прогріву на міцнісні характеристики бетону в ході теплової обробки шляхом розробки теоретичних закономірностей кінетики міцності бетону з урахуванням характеру теплового навантаження. Врахування впливу індукційного прогріву на міцнісні характеристики бетону для етапу експлуатації виробів можливо забезпечити шляхом визначення відповідного цьому методу теплової обробки коефіцієнта умов роботи бетону для визначення адекватних розрахункових опорів. Удосконалення технології індукційного прогріву можна досягти шляхом переходу від суцільної обмотки, що повторює контури виробу, до дискретних елементів, які забезпечують мобільність індуктора та можливість прогріву виробів різної конфігурації.

Для підтвердження гіпотези були визначені і сформульовані основні завдання і напрямки подальших досліджень.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, застосованих приладів, засобів вимірювання і пристроїв, на підставі чого розроблена методика експериментальних досліджень з урахуванням статистичних методів обробки результатів за такими напрямками:

вивчення кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву;

визначення коефіцієнта умов роботи бетону, який піддавався індукційному прогріву;

вивчення кінетики міцності і модуля пружності бетону в постіндукційний період до 28 діб включно;

апробація лінійних накладних нагрівачів індукційного типу для прогріву залізобетонних виробів.

Вихідним матеріалом для проведення експериментальних досліджень була обрана бетонна суміш з величиною легкоукладальності від 2 до 8 см ОК. Як в'яжуче використовувалися портланд- і шлакопортландцемент М400.

Індукційне прогрівання зразків виконувалось за допомогою лабораторної установки, що працює за принципом циклічної зміни в часі поля збудження за нерухомого провідного тіла. Для створення змінного магнітного поля застосовувалися два варіанти індукційної обмотки:

традиційний варіант - алюмінієвий однодротовий провід, покладений послідовними витками, що повторюють контур виробу, який прогрівається;

мобільний варіант - накладний лінійний нагрівальний індуктор, що формує магнітне і температурне поля не суцільною обмоткою, а дискретними елементами, які працюють за принципом “ефекту близькості”, що підвищує мобільність їхнього використання в умовах як стаціонарного виробництва, так і на будівельному майданчику.

Накладний лінійний нагрівальний індуктор отримано унаслідок відозміни промислового індуктора для нагрівання листового матеріалу, у якого магнітопровід охоплює індуктуючий провід із трьох сторін і є зовнішнім елементом. У видозміненого накладного індуктора для прогріву залізобетонних виробів магнітопровід, зібраний пакетом з листової трансформаторної сталі, є внутрішнім елементом і по торцях має кінцеві накладки, що дозволяють кріпити індуктор на листовий феромагнітний матеріал.

З метою виявлення найбільш рівномірного прогрівання бетону випробувано два варіанти розміщення індукційних нагрівачів на металевій формі. Для розширення технологічних можливостей індукційного прогріву застосовувалися два способи захисту виробів від вологовтрат: масляна плівка та модель пропарювальної камери.

Індукційний прогрів зразків виконувався за одно- і двоступінчастими режимами теплової обробки. Контроль температурних параметрів здійснювався тепловими датчиками типу ХК.

Визначення міцнісних характеристик бетону здійснювалось руйнівними та неруйнівними методами. Міцність бетону на стиск визначалась випробуванням на гідравлічному пресі до зруйнування бетонних стандартних зразків (кубів і призм); динамічний модуль пружності - шляхом визначення швидкості проходження ультразвукових імпульсів у тілі залізобетонних плитних моделей з подальшим обчислюванням за стандартною формулою.

Коефіцієнт умов роботи бетону визначався розрахунковим методом за формулою:

,

де і - міцність бетону на стиск у віці 28 діб відповідно для індукційно

прогрітих зразків і зразків нормального твердіння, МПа.

Роботи виконувалися згідно з розробленими схемами і матрицями планування експерименту, складеними з використанням принципів рандомізації і ранжирування.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень приватних закономірностей у системі “механічні властивості - вік зразків” при виявленні впливу індукційного прогріву на кінетику міцнісних характеристик бетону як у ході прогрівання, так і після нього.

Вивчення кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву проводилося шляхом визначення міцності на стиск зразків, що характеризуються різними температурами та термінами твердіння. На підставі двофакторного дробного експерименту отримані значення міцності за дванадцятьма рівнями чинника часу для основних режимів прогріву (рис.1) та за п'ятьма рівнями - для додаткових режимів. Аналіз результатів показав, що за температури ізотермічного прогріву, близької до максимально припустимого значення, за дев'яти годин прогріву середня міцність бетону на шлакопортландцементі складає 12,43 МПа, а для бетону на портландцементі - 12,34 МПа, що відповідає 62,2 та 61,7 % відповідно від запроектованої кінцевої міцності 20 МПа.

Визначення кінцевої міцності бетону проводилося як на еталонних зразках, так і на зразках, які піддавались індукційному прогріву. Аналіз результатів показав, що індукційний прогрів, як і інші методи теплової обробки, на 3-5 % знижує кінцеву міцність бетону в порівнянні з нормальними умовами твердіння.

Коефіцієнт умов роботи бетону визначався розрахунковим методом шляхом зіставлення кінцевої міцності еталонних і індукційно прогрітих зразків. Середнє значення коефіцієнта умов роботи бетону становило 0,952 для бетону на шлакопортландцементі та 0,960 для бетону на портландцементі. Рекомендовано для розрахунку залізобетонних виробів, які піддавались тепловій обробці індукційним прогрівом і призначені для звичайних умов експлуатації, значення коефіцієнту - 0,95.

Дослідження кінетики міцнісних і деформативних характеристик зразків після теплової обробки проводилося за допомогою визначення швидкості поширення ультразвукових коливань у залізобетонній плиті армованої просторовим каркасом. Результати вимірів і кореляційні криві показані на рис. 2. Кореляційна крива залежності швидкості ультразвуку від віку зразка описується на площині VОt лінією V=330,187 - 72,65: t - для індукційного прогріву і V=409,7- - 245,02: t - для нормальних умов твердіння.

Оскільки залежність міцності бетону від швидкості поширення в ньому ультразвукових імпульсів незалежно від розрахункової формули пряма, то для постіндукційного періоду характерно незначне зниження міцності зразків у порівнянні з нормальним твердінням, що підтверджує визначене в роботі значення коефіцієнта умов роботи бетону = 0,95<1.

Зміна деформативних властивостей бетону оцінювалася шляхом зіставлення значень динамічного модуля пружності Е_g зразків нормального твердіння та підданих індукційному прогріву (табл. 1).

Аналіз результатів визначення динамічного модуля пружності показав, що він вищий для нормального твердіння в порівнянні з індукційним прогрівом. Зміна таких механічних характеристик як міцність і модуль пружності бетону внаслідок індукційного прогріву є експериментальним підтвердженням необхідності введення нового значення коефіцієнта умов роботи бетону.

Таблиця 1 Порівняльний аналіз динамічного модуля пружності

Вік зразків, діб	Динамічний модуль пружності, МПа
	індукційний прогрів	нормальне твердіння
17	24342	37192
21	24464	38162
23	24509	38357
24	24529	38442
27	24579	38661
28	24594	38723

У ході експериментальних досліджень з апробації дискретної обмотки встановлена неефективність одночасного використання шести індукційних нагрівачів для експериментальної металевої форми (місцеве перепалювання бетону, значний перепад температур усередині зразків, питома витрата електроенергії) і неефективність захисту від вологовтрат за допомогою масляної плівки. Застосування п'яти індукційних нагрівачів і моделі пропарювальної камери забезпечило такі позитивні результати:

різниця в температурах глибинних і поверхневих шарів не перевищувала 3-6 ⁰С;

температура всередині камери становила 70-80 ⁰С, а вологість - 85-90%;

кубикова міцність індукційно прогрітих зразків дорівнює 24 МПа, що перевищує відпускну міцність 17 МПа;

питома витрата електроенергії становить 133 кВт на 1 м³ бетону.

Таким чином, забезпечення оптимальних умов прогрівання при використанні лінійних накладних індукторів досягається правильно призначеними параметрами дискретної обмотки, що повинні визначатися розрахунково-експериментальним методом підбирання силових характеристик магнітного поля.

Четвертий розділ присвячений розробці теоретичної залежності кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву від параметрів процесу. Робота виконувалася поетапно.

Перший етап - побудова базової математичної моделі. Як вихідний вираз була обрана емпірична залежність між міцністю бетону і ступенем гідратації цементу, отримана для нормальних умов твердіння:

,

де - міцність бетону в момент часу 0 та t відповідно, МПа;

K(t,T=20) - функція від поточного моменту часу t при температурі твердіння бетону 20⁰ С;

- ступінь гідратації цементу в бетоні в момент часу 0 та t відповідно, %.

Для подальшої роботи з виразом (2) були розглянуті такі гіпотези:

оскільки фазовий склад новоутворень цементного каменю, який піддається індукційному прогріву при температурі до 100⁰ С, не відрізняється від фазового складу за нормальних умов твердіння, то коефіцієнт пропорційності К (t, T=20) можна замінити на К (t, T);

оскільки функції міцності бетону R і ступеня гідратації цементу W такі, що диференціюються, то за досить малих проміжків часу зміна міцності бетону в ході прогріву має вигляд dR=K(t,T)·dW.

оскільки гідратація цементу W є одночасно функцією температури та часу, то вихідний диференціальний вираз повинен включати суму ії часткових диференціалів:

залежність температури прогріву T від часу t визначає на площині Tot умовну лінію L, характер якої виражається рівнянням .

Внаслідок інтегрування виразу (3) по лінії L отримана базова залежність кінетики міцності бетону в ході теплової обробки залізобетонних виробів, що може застосовуватися для різних технологічних прийомів прискорення твердіння бетону, де як змінні чинники виступають температура Т і час t:

,

де - міцність бетону, МПа;

K(t,T) - функція від поточного моменту часу при температурі твердіння бетону до 100 ⁰С;

W - ступінь гідратації цементу, %.

Д р у г и й е т а п - встановлення виду залежностей і . У роботі було розглянуто по два варіанти залежностей і для ступеня гідратації цементу і для коефіцієнта пропорційності , що подані в табл. 2.

Проведений математичний аналіз показав, що перші варіанти залежностей, розроблені раніше для паропрогріву, мають деякі недоліки: функція у заданому вигляді є необмеженою по кожному зі своїх аргументів, що виходить за ділянку фізичної реалізації ступеня гідратації матеріалу, а функція не має змісту за межами , що звужує сферу застосування вказаної формули. Інші варіанти розроблені автором на основі експонентної функції з урахуванням фізичної реалізованості розглянутих явищ: залежність ступеня гідратації за характером монотонності збігається з першим варіантом, але при цьому вона обмежена за обома аргументами; функція із зростанням температури асимптотично наближається до нуля, а зміну її в часі подано екстремумною кривою з максимумом у вершині, що дозволяє отримати значення оптимальної температури прогрівання.

Таблиця 2 Альтернативні залежності ступеня гідратації цементу і коефіцієнта пропорційності

Назва залежності	I варіант	II варіант
Ступінь гідратації цементу
Коефіцієнт пропорційності

Третій етап - визначення аналітичного виразу залежності міцності бетону від параметрів індукційного прогріву. Шляхом комбінування різних варіантів залежностей ступеня гідратації і коефіцієнта пропорційності , а також можливих шляхів інтегрування L та L₁ + L₂ на підставі виразу (4) отримані три теоретичні залежності кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву:

, ( 5 )

, ( 6 )

, ( 7 )

де - коефіцієнти моделей.

Аналіз отриманих залежностей показав такі результати:

модель № 1 (формула 5): зі збільшенням часу t міцність R необмежено зростає за логарифмічним законом, залежність R від температури T описується квадратичною функцією з критичною точкою , а тривалість індукційного прогріву - експонентним вираженням;

модель № 2 (формула 6): зі збільшенням часу t міцність R зростає обмежено по експонентній кривій, залежність R від температури T описується екстремумною кривою з максимумом у точці і асимптотичним наближенням до нуля, а тривалість індукційного прогріву - логарифмічним вираженням;

модель № 3 (формула 7): характер залежностей R(t) та R(T) аналогічний моделі № 2, але при цьому

.

Четвертий етап - розрахунок коефіцієнтів моделей. На підставі експериментальних даних третього розділу з використанням методу найменших квадратів визначено коефіцієнти моделей (табл. 3) та значення міцності для основного режиму прогріву.

П'ятий етап - визначення оптимальної моделі. Проведений математичний аналіз показав, що характер залежності міцності бетону від часу і температури прогріву найбільш точно описують моделі №2 і №3, тому що вони показують: по-перше, обмеження зростання міцності бетону зі збільшенням часу, та, по-друге, що після досягнення оптимальної температури прогрівання міцність бетону асимптотично наближається до нуля і тому не має від'ємних значень, як в моделі №1. А порівняльний аналіз розрахункових значень міцності з експериментальними даними показав, що найбільш адекватні експериментальним даним є моделі №1 і №3. Таким чином, як оптимальна залежність для розрахунку міцності бетону обрана модель №3.

Таблиця 3 Результати розрахунку параметрів

Модель	Отримані параметри	Кореляційне відношення	Відносна похибка, %
	коеф	ПЦ	ШПЦ	ПЦ	ШПЦ	ПЦ	ШПЦ
1	a	-0,00338	-0,00376	0,99139	0,9967	2,73	2,95
	b	85,13723	120,65419
	d	3014,0602	4125,0956
2	a	0,08036	0,04857	0,99306	0,9978	2,40	3,51
	b	0,42911	1,67952
	б	-0,00737	-0,01468
		0,20019	0,15513
3	a	7,4435	3,5618	0,9959	0,9990	2,29	2,61
	b	0,4647	0,4135
	б	-0,0059	-0,0150
	К2	0,4379	0,1657



З огляду на збіг експериментальної і розрахункової кривих кінетики міцності бетону, можна припустити, що вираз (7) з конкретними значеннями коефіцієнтів, що входять до нього, буде з деяким наближенням справедливим і для режимів, близьких до вихідного режиму, при якому визначенні коефіцієнти а, b, б, К₂. Для перевірки цієї гіпотези було виконано розрахунок кінетики міцності бетону, що твердіє при максимальній температурі прогріву 60 і 70 ⁰С - для портландцементу і 85 і 90 ⁰С - для шлакопортландцементу. Аналіз отриманих результатів свідчить про значний збіг експериментальних і розрахункових значень: відносна похибка складає 5,92 % для 90 ⁰С, 7,96 % для 85 ⁰С, 8,46 % для 70 ⁰С, 12,00 % для 60 ⁰С.

Таким чином, розроблена математична залежність кінетики міцності бетону дозволяє теоретично визначити характер протікання процесу набирання міцності, а в сукупності з розрахунковими значеннями коефіцієнтів - міцність бетону на стиск у будь-який момент часу індукційного прогрівання за режимів близьких до вихідного. У поєднанні з розрахунковими даними з економічного ефекту це дозволить робити висновок про конкурентоспроможність індукційного прогріву в кожному конкретному випадку.

У п'ятому розділі представлено результати випробовування у виробничих умовах комплексу технологічних заходів, що забезпечують упровадження індукційного прогріву.

Метод розрахунку прогнозованого значення міцності бетону для оцінки можливості переходу підприємства на індукційний прогрів пройшов опробування на Алчевському заводі крупнопанельного домобудування. Як експериментальні об'єкти для дослідно-промислового впровадження індукційного прогріву були обрані панелі перекриття серії 1.041.1-2.

Прогнозоване значення міцності бетону за час індукційного прогріву визначалося за оптимальною моделлю №3. Оскільки на цьому заводі для виробництва виробів крупнопанельного домобудування, у загальному випадку, і панелей перекриття, зокрема, застосовується шлакопортландцемент, то в розрахунок міцності бетону включені визначені в четвертому розділі параметри моделі.

На підставі отриманих розрахункових даних, за розробленою технологічною картою було піддано тепловій обробці методом індукційного прогріву дослідну партію плит перекриття. Отримана міцність бетону відповідає розрахунковому значенню.

Локальний економічний ефект забезпечується за рахунок економії енергетичних витрат у порівнянні з паропрогрівом. Питома витрата умовного палива за індукційного прогріву в 1,9 раза менша ніж за паропрогрів.

ВИСНОВКИ

Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено можливість одержання науково обґрунтованих розрахункових закономірностей кінетики міцності бетону в ході індукційного прогріву шляхом перетворення емпіричної залежності для нормальних умов твердіння за рахунок введення характеру температурного навантаження та обліку впливу індукційного прогріву на кінцеву міцність бетону, що дозволить теоретично визначити характер протікання процесу, а за наявності числових значень коефіцієнтів - значення міцності в ході прогріву. Розроблено методику розрахунку міцності бетону при індукційному прогріві залізобетонних виробів, на підставі якої отримано три варіанти залежності міцності бетону від температури та часу прогріву. Визначено чисельні значення коефіцієнтів залежностей міцності бетону від параметрів індукційного прогріву, що дозволяють розрахувати міцність бетону на портланд- та шлакопортландцементі за режимів, близьких до вихідного.

Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено необхідність диференціації значень коефіцієнта умов роботи бетону при визначенні адекватних даному методу прогріву опорів бетону для розрахунку залізобетонних виробів за першою групою граничних станів. На підставі виконаних експериментальних досліджень вперше для індукційного прогріву визначено значення коефіцієнта умов роботи бетону виробів, що тверділи в електромагнітному полі та призначені для звичайних умов експлуатації, для розрахунку за першою групою граничних станів.

Запропоновано методику розрахунку оптимальних параметрів індукційного прогріву, що забезпечують досягнення необхідної міцності бетону. Виявлено, що між величиною міцності бетону та температурою прогрівання в наявності параболічна залежність, яка після досягнення критичного значення температури асимптотично наближається до нуля.

Удосконалено базову для усіх видів теплової обробки закономірність кінетики міцності бетону шляхом обліку динаміки температурного процесу. Отримані результати дозволяють вести подальші дослідження з розробки теоретичних закономірностей кінетики міцності бетону для різних способів прискорення твердіння, де як змінні чинники виступають температура і час.

Розроблено мобільний варіант технології індукційного прогріву шляхом заміни суцільного контуру обмотки на дискретні елементи, котрі працюють за принципом "ефекту близькості", що значно розширить кількість типорозмірів виробів, які прогріваються як в умовах стаціонарного виробництва, так і на будівельному майданчику.

На підставі виконаних досліджень розроблено і введено у практику виробництва порожнистих плит перекриття, фундаментних блоків та інших виробів комплекс технологічних заходів, що забезпечує необхідний характер процесу набирання міцності і включає:

розрахунок міцності бетону і параметрів індукційного прогріву;

розрахунок параметрів індуктора для забезпечення необхідної температури;

технологічну карту теплової обробки виробів.

Розроблений технологічний комплекс щодо застосування індукційного прогріву як теплової обробки забезпечує поліпшення якості виробів, поліпшення санітарно-гігієнічного стану екосистеми формувальних цехів, економію паливно-енергетичних ресурсів за рахунок скорочення витрат умовного палива в 1,9 раза в порівнянні з паропрогрівом.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ

1. Николаева Е.К. Общая формула кинетики прочности бетона в ходе индукционного прогрева // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. - К.: НДІБК. - 2002. - Вып. 57. - С.137-140.

2. Рогулин В.В., Бондарчук В.В., Николаева Е.К. Применение накладных индукционных нагревателей для прогрева бетонной смеси // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА. - 2002. - №11. - С.39-42.

3. Рогулин В.В., Николаева Е.К. Влияние индукционного прогрева на значение коэффициента условий работы бетона // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА. - 2002. - №12. - С.38-41.

4. Пушко (Николаева) Е.К. О построении кинетики прочности бетона при индукционном нагреве // Конструкции гражданских зданий. Сб. научн. тр. - К.: Киев ЗНИИЭП. -1999. - С. 82-84.

5. Рогулин В.В., Николаева Е.К., Симонова И.Н. К вопросу определения прочности индукционно прогретого бетона // Сб. научн. тр. Донбасского горно-металлургического института. - Алчевск: ДГМИ. - 2002. - Вып.15. - С. 281 - 285.

6. Рогулин В.В., Николаева Е.К. Определение коэффициента условий работы бетона, подвергнутого тепловой обработке индукционным нагревом // Зб. наук. пр. Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ. - 2002.- № 17(29). - С.186-190.

7. Пушко (Николаева) Е.К. Об эффективности индукционного нагрева при тепловой обработке железобетонных изделий // Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону: Зб. наук. пр.- К.:НДІБК. - 1999. - С.365.

8. Рогулин В.В., Пушко (Николаева) Е.К. Использование индукционного нагрева при тепловой обработке железобетонных изделий // Зб. наук. пр. Луганського сільськогосподарського інституту. - Луганськ: ЛСГІ. - 1998. - С. 209-213.

9. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К Экспериментальные исследования режимов елетротермообработки бетонов // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. “Новые методы расчета, материалы и технологии в строительстве”. - Алчевск: ДГМИ. - 1993. - С. 215-217.

10. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К. Ускорение твердения бетона при помощи индукционного прогрева // Материалы межведомственной научно-техн. конф. "Новые материалы и технологии в строительстве". - Алчевск: АГМИ. - 1992. - С. 69-70.

11. Рогулин В.В., Долголаптев В.М., Пушко (Николаева) Е.К. Применение индукционного нагрева для термообработки сборных железобетонных изделий // Информационный листок № 150 - 92. - Луганск: ЦНТЭИ. - 1992 г. - 4 с.

АНОТАЦІЇ

Ніколаєва О.К. Вплив індукційного прогріву на міцнісні характеристики залізобетонних виробів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена розробці і впровадженню в практику будівельного виробництва науково обґрунтованих рекомендацій з формування розрахункового методу оцінки впливу індукційного прогріву на якість продукції заводського домобудування та безпосереднє на будівельному майданчику.

Виконано аналіз методів теплової обробки залізобетонних виробів і методів розрахунку міцності бетону різних видів твердіння. Обґрунтовано необхідність визначення коефіцієнта умов роботи бетону для виробів, які піддавались індукційному прогріву. Отримано експериментальні залежності кінетики механічних характеристик бетону, який піддається індукційному прогріву. Визначено коефіцієнт умов роботи бетону для конструкцій, які піддавались індукційному прогріву і призначених для звичайних умов експлуатації. Вперше для індукційного прогріву розроблена теоретична залежність кінетики міцності бетону, набраної за час прогріву, визначені параметри моделі для конкретних умов виробництва. Запропоновано та експериментально випробувано багатофункціональній варіант індуктора, виконаний з дискретних накладних елементів замість суцільної стаціонарної обмотки, за рахунок чого забезпечується мобільність прогріву як в умовах заводського виробництва, так і на будівельному майданчику.

Основні результати роботи впроваджені на підприємствах будівельної індустрії м. Алчевська.

Ключові слова: індукційний прогрів, міцність бетону, коефіцієнт умов роботи бетону, дискретний накладний індуктор.

Николаева Е.К. Влияние индукционного прогрева на прочностные характеристики железобетонных изделий. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2003.

Современный уровень нового строительства и реконструкции существующих зданий требует внедрения высокопроизводительных, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Выполнение этих требований обеспечивается при использовании электротермообработки железобетонных изделий для сокращения сроков твердения бетона.

Одним из наиболее эффективных методов электротермообработки железобетонных изделий является индукционный прогрев, применяемый как в условиях монолитного, так и заводского домостроения. Важнейшими преимуществами этого метода являются объемный нагрев изделий, формирование равномерного температурного поля, возможность применения различных схем армирования, электробезопасность, гибкость и высокая точность управления. Однако, преимущества метода могут быть в полной мере использованы лишь в том случае, если имеется точное представление о тех зависимостях, которым подчиняется метод и в целом, и в отдельных его частях. Поэтому одним из путей повышения эффективности ускорения твердения бетона этим методом является установление расчетных зависимостей влияние параметров и характера прогрева на изменение прочностных характеристик бетона во время тепловой обработки и после нее, а также разработка мобильного варианта индуктора для прогрева изделий различных типоразмеров.

Анализ теоретических положений в методологии прогнозирования прочности бетона для нормальных условий твердения и паропрогрева позволяет предположить возможность учета влияния индукционного прогрева на прочностные характеристики бетона в ходе тепловой обработки путем разработки теоретических закономерностей кинетики прочности бетона с учетом характера теплового нагружения. Учет влияния индукционного прогрева на прочностные характеристики бетона для этапа эксплуатации изделий можно обеспечить путем определения соответствующего этому методу тепловой обработки коэффициента условий работы бетона для назначения адекватных расчетных сопротивлений. Обеспечение мобильности индуктора можно достичь путем перехода от сплошной обмотки, повторяющей контуры изделия, к дискретным элементам, устанавливаемым не стационарно на изделиях различной конфигурации.

Усовершенствована базовая зависимость кинетики прочности бетона в ходе тепловой обработки железобетонных изделий, которая может применяться для различных технологических приемов ускорения твердения бетона, где в качестве изменяющихся факторов выступают температура и время. Предложен способ учета характера режима термообработки путем введения функции теплового нагружения. Разработана модифицированная теоретическая зависимость степени гидратации цемента на базе экспоненциальной функции с учетом характера физической реализуемости данного явления. Для индукционного прогрева теоретически разработаны и практически подтверждены закономерности роста прочности бетона в ходе прогрева. По результатам экспериментальных исследований для конкретных условий производства установлены числовые значения коэффициентов моделей и выбрана оптимальная зависимость кинетики прочности бетона, которая позволяет теоретически определить характер протекания процесса. При этом зависимость прочности бетона от длительности прогрева описывается возрастающей кривой, ограниченной предельным значением; зависимость прочности бетона от температуры прогрева описывается экстремумной кривой с максимумом в точке .

Установлено влияние индукционного прогрева на изменение механических свойств бетона - прочности и динамического модуля упругости. Показано, что в период от трех до 28 суток рост прочности и модуля упругости индукционно прогретых образцов происходит менее интенсивно, чем в образцах нормального твердения. Расчетно-экспериментальным методом определен коэффициент условий работы бетона изделий, подвергнутых индукционному прогреву и предназначенных для обычных условий эксплуатации. Назначено рекомендуемое для расчетов значение этого коэффициента, равное 0,95.

Разработан и опробован многофункциональный накладной нагреватель индукционного типа, устанавливаемый при помощи концевых накладок на плоские ферромагнитные грани многоугольного периметра коробчатого типа одиночно или блочно в зависимости от объема прогреваемого бетона и линейных размеров изделия.

...