Научные основы процессов электротепловой обработки композиционных материалов в производстве конструкционного бетона

На правах рукописи

Соколов Александр Михайлович

Научные основы процессов электротепловой обработки композиционных материалов в производстве конструкционного бетона

Специальность:

05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново 2012

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.060.01 при ФГБОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8-го Марта, д. 20, ауд. Г-204 (www.igasu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного университета (153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д.20).

Автореферат разослан __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Н.В. Заянчуковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из направлений государственной политики Российской Федерации является глубокая модернизация экономики в целях значительного повышения эффективности и конкурентоспособности промышленного производства. Строительная отрасль, где накопилось немало проблем, требующих скорейшего решения, представляет собой яркий пример необходимости такой модернизации. Актуальной задачей технологических процессов строительной индустрии является снижение их энергоёмкости. Особенно это важно в тех случаях, когда требуется термическое воздействие на материалы, например, в установках по разогреву бетонных смесей и тепловой обработке железобетонных изделий. В настоящее время основное применение для этого получила тепловлажностная обработка (ТВО) водяным паром. Этот способ разогрева является технически наиболее простым, но обладает рядом серьезных недостатков. Например, изделие воспринимает незначительную долю энергии пара, что ухудшает экономические показатели такой технологии. Другим недостатком являются трудности с гибким регулированием потребления пара в зависимости от потребностей производства и сезонных условий. Низкой энергетической эффективностью обладают и другие методы тепловой обработки бетона, получившие уже достаточно широкое распространение, - это обработка продуктами сгорания природного газа и подогрев опалубки горячей водой. Лишь для южных и солнечных районов весьма удобной и более выгодной является тепловая обработка железобетонных изделий с использованием солнечной энергии.

Хорошо известно, что тепловая обработка бетона, особенно в условиях прохладного российского климата, является практически обязательной стадией технологического процесса в строительной индустрии: около 90% железобетонных конструкций и изделий при изготовлении подвергается такой обработке (около 20 000 тыс. куб.м в России ежегодно). Она за счёт значительного ускорения набора прочности бетоном позволяет повысить производительность и технико-экономические показатели производственного процесса.

Перспективным и эффективным направлением развития отрасли следует назвать широкое применение электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий. Несмотря на многие очевидные и значительные преимущества такого способа тепловой обработки (энергетическая эффективность может приближаться к 100%, удобство управления и автоматизации, однородный прогрев), всё же на предприятиях сборного железобетона и крупнопанельного домостроения продолжают господствовать традиционные методы. Острую потребность в электротепловой обработке испытывают предприятия малого и среднего бизнеса, которым традиционные методы недоступны и невыгодны. Анализ литературных сведений позволяет сделать вывод, что такое положение дел обусловлено рядом причин, важнейшими из которых являются – отсутствие необходимого технологического оборудования, в частности, электрических источников питания с хорошими эксплуатационными показателями, а также недостаточный уровень научно-технических разработок в этом направлении.

Неотъемлемой частью любой электротехнологической установки такого назначения является источник питания, который обеспечивает ее бесперебойным электроснабжением. В настоящее время, значительные усилия специалистов сосредоточены на создании источников питания на основе высокочастотных полупроводниковых преобразователей напряжения. Рабочие частоты преобразования, находящиеся в пределах от 10 до 150 кГц, позволяют получать источники питания с высокими эксплуатационными показателями, соответствующие современным требованиям. Целесообразно применение таких источников питания в составе установок электротепловой обработки на предприятиях сборного железобетона.

Целью диссертационного исследования является разработка научных основ создания и применения в строительной отрасли установок и процессов электротепловой обработки железобетонных изделий электродным методом с использованием источников питания на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения. Это включает в себя разработку общего методологического подхода к исследованию и применению электротепловой обработки, создание теоретических моделей на основе общего методологического подхода для определения характеристик и показателей процесса и установок такого назначения, определение и исследование закономерностей электротепловой обработки таким методом, разработка рекомендаций для реализации электротепловой обработки в условиях предприятий сборного железобетона.

Поставленная цель требует решения следующих задач.

1. Определение и обоснование общего методологического подхода к разработке теоретических моделей и исследованию закономерностей электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на базе существующих теоретических представлений о процессах тепломассопереноса и теории электрического поля.

2. Составление теоретических представлений и разработка математической модели процессов гидратации цемента и набора механической прочности бетоном при воздействии повышенной температуры в условиях превращения электрической энергии в тепловую и теплопереноса в объёме материала.

3. Разработка теоретических представлений о возникновении объёмно-напряженного состояния бетона в неоднородных температурных полях, обусловленных процессом теплопереноса, и методики расчёта предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в ходе их тепловой обработки.

4. Разработка математической модели электрической проводимости бетона для решения задач тепломассопереноса в процессах электротепловой обработки электродным методом.

5. Применение теории тепломассопереноса для разработки математической модели и методики расчёта параметров и характеристик процесса, а также устройств электротепловой обработки периодического и непрерывного действия.

6. Проверка эффективности методологического подхода к исследованию закономерностей электротепловой обработки, основанном на совместном использовании теории тепломассопереноса и теории электрического поля. Проверка адекватности предложенных математических моделей, реальным характеристикам механической прочности бетона, его электро- и теплофизических параметров, а также энергетических показателей этого вида обработки при использовании источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения.

7. Изучение закономерностей процессов тепло(массо)переноса и их воздействия на показатели и характеристики обрабатываемого материала (изделия), а также процесса и установок электротепловой обработки токами повышенной частоты. Разработка на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованных рекомендаций по практическому применению электротепловой обработки электродным методом с использованием источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения в производственных условиях.

8. Выбор и исследование посредством предложенной методологии вариантов опытно-промышленного применения в строительной отрасли предлагаемой электротепловой обработки.

Объект исследования. Технологический процесс изготовления железобетонных изделий на предприятиях сборного железобетона и крупнопанельного домостроения.

Предмет исследования. Стадия тепловой обработки бетона при изготовлении железобетонных изделий с использованием разогрева электрическим током, протекающим через бетон.

Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретической базой выполненной диссертации являются современные представления о закономерностях тепломассопереноса, теории электрического поля в материале, химических процессов гидратации цемента, механического разрушения и прочности бетона, представления о возникновении объёмно-напряженного состояния в материале, природе электропроводности композиционных материалов, к которым можно отнести бетон, существующие методы теоретических основ электротехники и методы расчёта и анализа цепей с полупроводниковыми приборами, современные методы оценки технико-экономических показателей производственных процессов, а также существующие представления и разработки в вопросах методологии исследования различных характеристик и технико-экономических показателей тепловой и электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий.

Научная новизна. В работе содержатся следующие существенные результаты, имеющие научную новизну и лично полученные соискателем.

1. Составлена и обоснована общая методология исследования и применения электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий, основанная на существующих теоретических представлениях о процессах тепломассопереноса и теории электрического поля сквозных токов в среде с комплексной электрической проводимостью.

2. Сформулированы принципы построения и выполнена разработка математической модели процессов гидратации цемента и роста механической прочности бетона при воздействии повышенной температуры в ходе электротепловой обработки.

3. Разработана математическая модель для определения предельных температурных градиентов, обусловленных явлением теплопереноса в железобетонных изделиях в процессе их электротепловой обработки.

4. Разработана математическая модель электрической проводимости бетона, которая учитывает влияние на её величину основных факторов: состав бетона, его температура, режим электротепловой обработки.

5. Составлены инженерные методики расчёта устройств электротепловой обработки периодического и непрерывного действия.

6. Впервые полученные экспериментальные сведения о различных характеристиках электротепловой обработки бетона с использованием источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения подтвердили достоверность предложенных математических моделей и расчётных методик, возможность и целесообразность применения такой обработки на практике, а также выявили её преимущества: активация твердения бетона, возможность существенного сокращения затрат времени и энергии, высокие эксплуатационные показатели источников питания, возможность гибкого управления процессом обработки и др.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы. Теоретическая значимость работы состоит в дальнейшем развитии методологии и математического моделирования процессов и устройств электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на основе существующей теории тепломассопереноса и теории электрического поля. Практическая значимость заключается в том, что полученные результаты позволяют разрабатывать оборудование и технологические процессы для электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий с применением источников питания на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения, как в условиях крупных предприятий сборного железобетона и крупнопанельного домостроения, так и в условиях небольших предприятий малого и среднего бизнеса, производящих продукцию небольшими сериями.. Сформулированы рекомендации по условиям эффективного применения электротепловой обработки железобетонных изделий, например – обязательное наличие теплоизоляции на поверхности изделия; целесообразность сочетания безопалубочной технологии и термосной выдержки; применение режима постоянной мощности при работе технологической установки и её источника питания и др. Показано, что в промышленных условиях энергетическая эффективность электротепловой обработки токами повышенной частоты в 711 раз выше по сравнению с ТВО, а её применение является наиболее эффективной мерой снижения технологической себестоимости на предприятиях сборного железобетона (около 25 %) при сроке окупаемости в пределах 1 года.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Полученные научные положения и выводы, приведенные в работе, основаны на результатах многолетних экспериментов, выполненных в лабораторных и производственных условиях с применением современных методов исследований, и их статистической обработки, подтверждены сходимостью результатов компьютерного моделирования и результатов эксперимента, а также их корреляцией с известными закономерностями.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа теоретических и экспериментальных изысканий, лично выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты, практическая реализация которых так же проводилась при непосредственном участии автора. В совместных работах, выполненных в соавторстве с академиком РААСН, доктором технических наук, профессором С.В. Федосовым, докторами технических наук А.М. Ибрагимовым и Ю.А. Митькиным, автор лично участвовал в проведении теоретических и экспериментальных исследований и их обсуждении.

На защиту выносятся:

- обоснование общего методологического подхода к разработке теоретических моделей и исследованию закономерностей электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на базе существующих теоретических представлений о процессах тепломассопереноса и теории электрического поля.

- теоретические представления и математическая модель процессов гидратации цемента и роста механической прочности бетона в процессе электротепловой обработки;

- математическая модель для определения предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в процессе их тепловой обработки;

- математическая модель электрической проводимости бетона, которая учитывает влияние на её величину важнейших факторов: состав бетона, его температура, режим электротепловой обработки;

- математическая модель и методика расчёта устройств электротепловой обработки периодического и непрерывного действия;

- экспериментальные сведения о механических, электрофизических, температурных и энергетических характеристиках электротепловой обработки бетона токами повышенной частоты с использованием источников питания, выполненных на основе полупроводниковых преобразователей напряжения;

- результаты изучения влияния различных факторов на показатели электротепловой обработки с использованием предложенных математических моделей, а также результатов экспериментов с целью оптимизации параметров и режимов работы технологического оборудования;

- результаты исследования технических и энергетических показателей различных вариантов опытно-промышленного применения электротепловой обработки бетона токами повышенной частоты на предприятии сборного железобетона и сопоставление этих показателей с параметрами традиционного технологического процесса (ТВО).

- результаты оценки экономических показателей применения электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на предприятиях сборного железобетона крупнопанельного домостроения с использованием источников питания на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения.

Реализация и апробация результатов. Результаты диссертационного исследования использованы в разработке установок опытно-промышленного применения электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий с использованием источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения на АО ДСК (Иваново), на малых предприятиях ИП (Иваново), ЗСМ ЭКО (Ярославль).

Основные положения и результаты исследования представлялись на международных научно-технических конференциях: международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий» VII(1994г.),VIII(1997г.),X(2001г.),XI(2003г.),XII(2005г.), XIII(2006г.),XIV(2007г.),XV(2006г.),XVI(2011г.) Бенардосовские чтения, Иваново; вторая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 07-09.02.2006, Санкт-Петербург, Россия; научно-техническая конференция «Современные материалы и технологии бетонов. Методы контроля качества», Москва, ЦВК «Экспоцентр», 28 января 2010 г.; пленарное заседание XVII Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза», Иваново, ИГАСУ, 25 ноября 2010 г.; шестая региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, ИГЭУ, Иваново, 28 апреля 2011 г.

Выполненные исследования нашли отражение в учебных пособиях, лекционных и лабораторных курсах по дисциплинам «Основы электротехнологии», «Электротехнологические процессы и аппараты», а также в курсовых и дипломных работах.

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа, в том числе – 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК. Семь статей опубликованы в сборниках трудов международных конференций и межвузовских сборниках научных трудов, в материалах вузовских и международных конференций опубликовано 19 тезисов докладов.

Структура и объём диссертации. Структура диссертации обусловлена целью и задачами, решаемыми в работе. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, цель и основные задачи исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы, её структура.

В первой главе выполнен литературный обзор вопросов тепловой, электротепловой и электрофизической обработки железобетонных изделий, а также традиционных и перспективных источников питания для электротепловой обработки.

Отмечено, что тепловая обработка является обязательной стадией технологического процесса изготовления железобетонных изделий на предприятиях сборного железобетона и крупнопанельного домостроения. Её применение обеспечивает высокие технико-экономические показатели производственного процесса. Наиболее распространённым и традиционным способом тепловой обработки железобетонных изделий является тепловлажностная обработка паром (ТВО). Отмечено, что такая обработка, имея определённые преимущества, обладает очень серьёзным недостатком – низкой энергетической эффективностью: бетон воспринимает всего 8-12% энергии пара. Достаточно распространёнными методами тепловой обработки бетона являются обработка продуктами сгорания природного газа и подогрев опалубки горячей водой, но и они имеют приблизительно такую же энергетическую эффективность, как и ТВО. Общим недостатком перечисленных методов является то, что передача тепла происходит с поверхности внутрь изделия, в котором из-за низкой теплопроводности бетона возникают неравномерные температурные поля, приводящие к снижению механической прочности материала и качества изделий.

По мнению многих исследователей и специалистов (Б.А. Крылов, Ю.М. Баженов, В.М. Бондаренко, С.М. Трембицкий, А.С. Арбеньев, Н.Ф. Афанасьев, Н.Г. Пшонкин и др.) одним из важнейших направлений научно-технического прогресса строительной отрасли является широкое применение электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий. Основное преимущество электротепловой обработки – её высокая энергетическая эффективность, теоретически приближающаяся к 100 %. В настоящее время существуют и применяются различные методы такой обработки. Наиболее перспективным следует признать электродный метод – разогрев бетона проходящим через него электрическим током. Он при наивысшей энергетической эффективности обеспечивает практически однородное выделение тепла в объёме вещества, в результате чего значительно снижается неоднородность температурных полей внутри изделия и её вредные последствия, а также создаются одинаковые условия твердения бетона по всему объёму изделия. Весьма актуальным является применение электротепловой обработки для изготовления строительных изделий и конструкций на основе перспективных композиционных строительных материалов (Ю.М. Баженов, В.М. Бондаренко, Ю.А. Соколова, Е.М. Чернышёв)

Несмотря на явные преимущества, электротепловая обработка в настоящее время применяется, в основном, в тех случаях, когда без неё нельзя обойтись, например, в монолитном домостроении и при зимнем бетонировании. Существующие научные разработки в этой сфере посвящены, в основном, именно таким условиям использования электротепловой обработки (Б.М. Красновский, С.Г. Головнёв, Л.М Колчеданцев). Анализ литературных сведений позволяет сделать вывод, что одним из серьёзных препятствий на пути широкого применения электротепловой обработки на предприятиях сборного железобетона являются отсутствие технологического оборудования с высокими эксплуатационными показателями, в частности, существующие трансформаторные источники питания промышленной частоты для установок такого назначения имеют большие габариты и массу.

Эффективным способом решения этого вопроса является применение для этой цели источников питания нового поколения, выполненных на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения. Они, благодаря высокой частоте выходного напряжения: 10-50 кГц, обладают хорошими массогабаритными и технико-экономическими показателями. Однако в литературе практически отсутствуют сведения по теории и практике электротепловой обработки бетона с использованием источников питания такого типа. При этом требуют своего решения целый ряд теоретических, методических и исследовательских вопросов электротепловой обработки в условиях предприятий сборного железобетона и крупнопанельного домостроения. В частности, весьма актуальной является задача дальнейшего развития применительно к условиям электротепловой обработки математических методов строительного материаловедения и исследования теплофизических характеристик материалов и технологических процессов строительной индустрии (Ю.А. Соколова, С.В. Федосов, В.С. Грызлов).

На основе анализа сведений, приведенных в главе 1, были сформулированы цель и задачи настоящей работы, указанные выше, суть которых сводится к тому, что необходимо определить, обосновать и апробировать общий методологический подход к исследованию процессов электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий электродным методом токами повышенной частоты на основе научно-теоретических представлений о процессах тепломассопереноса и теории электрического поля. Это позволит создавать технологические процессы и оборудование, обладающие оптимальными параметрами, и обеспечить рациональные режимы его работы. В итоге будут обеспечены благоприятные условия для успешного применения электротепловой обработки на предприятиях сборного железобетона.

Вторая глава посвящена разработке и обоснованию общего методологического подхода к разработке теоретических моделей и исследованию закономерностей электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий на базе существующих теоретических представлений о процессах тепломассопереноса и теории электрического поля; а также важнейших составляющих этой методологии: математической модели изменения механической прочности бетона в процессе электротепловой обработки, математической модели для определения предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях, математической модели электрической проводимости бетона.