Аруова Л.Б., Даужанов Н.Т.

Анализ явлений тепло - и массопереноса в бетоне при электротермообработке по основным положениям теории тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых системах.

Основные положения теории тепло – и массопереноса применительно к капиллярно-пористым системам сформулированы академиком А.Н. БССР Лыковым А.Б. Поскольку бетон по своей структуре близко подходит к этим системам, то существующие классические уравнения, описывающие закономерности тепло- и массопереноса, можно с достаточной степенью точности использовать и применительно к нему.

При этом необходимо учитывать, что бетон- система релаксируемая во времени, меняющая свои теплофизические характеристики в процессе твердения. Естественно, это усложняет аналитические расчеты. Вместе с тем, учитывая относительно краткий промежуток времени термообработки (обычно не более суток даже при невысоких температурах прогрева) можно с грубым приближением считать, что на протяжении этого периода характеристики бетона меняются несущественно и в расчетах принимать среднее значение. Такой путь приемлем только для прикидочных определений и не может характеризовать тепло- и массоперенос на разных этапах твердения материала.

Исследования Заседателева И.Б. и его сотрудников показали, что по мере формирования структуры с момента приготовления бетонной смеси и до приобретения бетоном марочной прочности его теплопроводность, теплоемкость и др, показатели довольно у некоторых бетонов изменяется в 2 раза. Следовательно, при точных расчетах необходимо или разбить период твердения (термообработки) на несколько этапов и пользоваться в расчетах осредненными теплофизическими характеристиками, которыми бетон обладает на каждом этапе, или же принимать те характеристики, которые соответствуют каждому моменту времени, для которого производится расчет. Последний путь весьма сложен, поскольку детальных данных об изменении теплофизических параметров бетона при твердении практически нет. Если же учесть сложность их определения и разнообразие влияющих технологических факторов, то он на сегодняшний день является неприемлемым для массового пользования.

Рассмотрим некоторые закономерности тепло- и массопереноса применительно к бетону при разных методах электротермообработки. В принципе эти явления можно разделить на две группы- внутренний и внешний тепло –и массоперенос, которые вызываются разными причинами.

Внутренний тепло- и массоперенос возникает вследствие появления термо-, влаго –бароградиентов при локальных перегревах или охлаждениях, а при электродном прогреве кроме того из-за большого несоответствия в электропроводности компонентов бетона.

Внешний тепло- и массоперенос обуславливается наличием тех же градиентов между бетоном и окружающей средой (граничные условия третьего рода).

Если прогрев бетона осуществляется по мягким (подъем t скоростью не более 20 С в час ) и относительно жестким (подъем t со скоростью, не превышающей примерно 60С в час) режимам, то бетон с достаточной степенью точности условно можно считать изотропной и гомогенной системой. В этом случае существующие уравнения термодинамиками могут быть полностью применены к материалу в целом. В частности, при стационарном состоянии теплообмен может быть определен с помощью известного уравнения теплопроводности Фурье, согласно которому тепловой поток пропорционален градиенту температуры.

Однако, стационарное состояние возможно только во второй половине цикла электротермообработки, когда тепловой поток станет установившимся, и не возможно для стадии подъема температуры и первого этапа изотермического прогрева. Поэтому в расчетах необходимо учитывать перенос тепла и массы в бетоне на разных стадиях прогрева в зависимости от факторов, действующих на этих стадиях.

Тепло- и массоперенос при электродном прогреве, представляющий собой метод термообработки бетона (капиллярно-пористого тела) с внутренним источником тепла, может быть описан в общей форме следующей системой дифференциальных уравнений.

(7)

- коэффициент температуропроводности:

- коэффициент диффузии влаги (влагопроводности):

- коэффициент конвективной диффузии

-градиент температуры

-градиент влагосодержания

- градиент давления.

-коэффициент, определяющий количество пара, диффундирующего в

капиллярно –протистом теле, по отношению к потоку жидкости и пара: при -перенос происходит за счет диффузии пара, при в виде жидкости, в большинстве случаев 0:

с- удельная теплоемкость влажного тела:

r- удельная теплота испарения влаги, равная сумме удельной теплоты испарения жидкости и теплоты смачивания

- коэффициент термодиффузии влаги

S-плотность сухого скелета бетона

С- емкость тела по отношению к влажному воздуху (прямо пропорциональна пористости)

Q- количество выделяемого тепла в бетоне.

Этими же уравнениями описывается тепло –и массоперенос при других методах электротермообработки бетона, при которых прогрев осуществляется от внутренних источников тепла – индукционном прогреве железобетонных конструкций в деревянной опалубке, при прогреве бетона установленными в него ТЭНами или греющими шнурами, в случае использования в качестве нагревателя арматуры.

При электродном прогреве влагопоток с самого начала повышения температуры направлен во вне, совпадая с теплопотоком действительно для равномерного электропрогрева элемента по сечению). Это продолжается до полного остывания конструкции, способствуя при небрежном производстве работ по электропрогреву обезвоживанию и даже пересушиванию бетона. Предохранение не опалубленной поверхности конструкции от лишних потерь влаги является, в связи с изложенным, непременным условием.

Не отличается от любого вида контактного прогрева. В общем случае распространение тепла от нагреваемой поверхности во внутренние слои бетона происходит путем теплопроводности, переноса его паром и жидкостью.

(8)

-коэффициент теплопроводности:

-градиент температуры:

h-энтальпия пара

h-энтальпия жидкости

q'-поток тепла, переносимый паром

q'-поток тепла, переносимый жидкостью.

Перенос влаги в при контактном с греющей опалубкой слое бетона определяется термической массопроводностью, включающей молекулярный и молярный переносы массы вещества. Интересно, что обезвоживание прилегающей к опалубке – нагревателю слоев бетона не происходит, поскольку массоперенос в направлении теплового потока под влиянием температурного градиента создает градиент влагосодержание. Последний препятствует переносу массы из контактного во внутренние слои.

Плотность потока массы вещества внутри бетона при наличии температурного и влажностного градиентов определяется законом перемещения пара и жидкости.

q (9)

- коэффициент температуропроводности ()

- плотность сухого газа при нормальных условиях

(t=0 и р=760 мм рт.ст)

Прогрев бетона с помощью греющей опалубки, независимо от вида установленных в ней электроисточников тепла практически

- коэффициент термодиффузии влаги

- градиент температуры

- градиент влагосодержание.

Учитывая особенности массопереноса влаги в бетоне при контактном прогреве, каких-либо особых мер предосторожности от влагопотерь в окружающую среду принимать нет надобности. Но открытие части поверхности бетона прогреваемой конструкции (например, стенки труб или силосов) должны обязательно укрываться при перерывах в бетонировании.

Прогрев бетона нагревателями инфракрасного излучения обычно происходит через воздушную прослойку, что обуславливает специфику тепло- и массопереноса при этом методе электротермообработке железобетонных конструкций.

Потребный лучистый поток необходим для обеспечения требуемой скорости нагрева конструкции (q), для восполнения теплопотерь с обогреваемой поверхности конвекцией и радиацией (q), для восполнения потерь тепла поверхностью за счет отражения падающего излучения. Необходимо также учитывать снижение излучательной способности излучателя, находящегося в среде наружного воздуха.

Следовательно, необходимый лучистый поток на поверхность прогреваемой конструкции будет составлять:

kq(1-A)=q или q= (10)

q- потребный лучистый поток

к- коэффициент, учитывающий снижение излучательной способности в условиях воздействия наружного воздуха:

А- отражательная способность поверхности.

В этом уравнении q задается из условия необходимый скорости подъема температуры на облучаемой поверхности.

Радиационные и конвективные потери тепла определяется по формулам:

q и q (11)

- степень черноты облучаемой поверхности бетона:

- постоянная излучения, равная 5.67.10Вт\см²град⁴

Т- абсолютная температура тела (Т=)

Т- температура прогреваемого бетона в

Т- температура воздуха в

t- температура бетона в

t- температура воздуха в

Остальные данные легко вычисляются или берутся по таблицам. При прогреве бетона инфракрасными лучами в начале процесса доминирующей становится термическая диффузия влаги по сравнению с концентрационной диффузией вследствие более быстрого развития температурного поля по сравнению с полем влагосодержания.

Термическая миграция влаги во внутренние слои бетона способствует возникновению градиента влагосодержания, благодаря чему влагопоток меняет направление на противоположное и жидкая фаза начинает двигаться к облучаемой поверхности. При открытой облучаемой поверхности обогреваемого бетона происходит испарение влаги в окружающую среду, которое возрастает с увеличением градиента влагосодержания по мере обезвоживания поверхностного слоя. В связи с изложенным, при инфракрасном прогреве большое внимание следует обращать на предохранение бетона от потерь влаги.

Анализ явлений тепло- и массопереноса при различных методах электротермообработки бетона показывает, что существующие закономерности в принципе применимы для бетона. Однако относительно точные теплофизические расчеты можно осуществить только применительно к затвердевшему и достигшему марочной прочности бетону, поскольку его теплофизические характеристики в общем известны. Применить приведенные выше уравнения для определения величин тепло-и массопереноса в процессе ускоренного твердения бетона при термообработке весьма трудно из-за отсутствия многих теплофизических характеристик по причине слабой изученности вопроса.