Даужанов Н.Т., Аруова Л.Б.

Использование солнечной энергии для гелиотермообработки бетона.

Проблема изыскания новых источников энергии является одной из важнейших, ибо от неё зависит дальнейшее развитие всех отраслей промышленности во всех странах планеты.

Углеводородные источники - нефть и газ невосполнимы и возможно уже в конце текущего столетия их запасы на Земле иссякнут. Одним из наиболее простых и не требующих больших затрат является использование солнечной энергии. Во многих технически развитых странах ведутся напряжённые исследования и уже этот вид энергии в Европе стал использоваться для отопления и освещения жилых и социально-бытовых зданий. В Казахстане и России такие исследования по использованию энергии Солнца широко проводятся в промышленной и гражданской сфере и, особенно в строительной индустрии, в частности в промышленности сборного железобетона.

Применение солнечной энергии для термообработки железобетонных изделий потребовало обширных теоретических и экспериментальных исследований. Выполненный анализ зарубежного опыта показал, что использование промежуточных теплоносителей в виде воды или масла имеет весьма серьёзные недостатки, связанные с большими потерями тепла и невысоким КПД. По этой причине за рубежом применение гелиотехнологии при производстве сборного железобетона распространения не получило.

В Советском Союзе вопрос этот тщательно изучался и учёными России Казахстана и была предложена технология применения методов прямого использования энергии Солнца для производства сборных изделий на полигонах. Эти исследования охватывали широкий круг вопросов - теоретических, экспериментальных, технологических, экологических и экономических. В результате различные методы гелиотехнологии были разработаны и внедрены в производство в южных районах страны. Была поставлена задача по применению гелиотехнологии для производства сборных железобетонных изделий на заводских полигонах не только сезонно в течение теплого периода года, но и в холодное время года, т.е. круглогодично.

Широкие исследования были начаты с разработки теоретических вопросов. Одной из первых задач встала проблема теплообмена изготавливаемых изделий с окружающей средой. Теплообмен при нагревании бетона происходит через стороны борта формы и имеет место на ранней стадии при повышении температуры бетона со стороны бортов формы, обращённых к солнцу. По мере нагрева бетона температурные поля претерпевают определённые изменения и теплообмен осуществляется в движении тепла от бетона во вне. При выдерживании отформованных изделий в плёночных камерах теплоперенос происходит во вне до достижения бетоном максимальной температуры; то же имеет место при остывании. Расчёты показали, что теплообмен со средой в процессе прогрева решающего значения не имеет при термообработке бетона в летнее время. В холодные месяцы или в дождливую пасмурную погоду, когда различие в температурах окружающего воздуха и бетона весьма заметно, этот процесс имеет существенное значение. В этом случае приходится или удлинять время выдерживания бетона в форме или использовать дублирующий источник прогрева. Изучение вопросов теплообмена дало возможность разработать и технологию термообработки изделий.

Важным вопросом для обеспечения условий твердения бетона, а следовательно и качества изготавливаемых железобетонных конструкций, является влажность среды. Обычно вследствие массобмена с окружающей средой и внутреннего массопереноса бетон быстро теряет влагу при твердении, что приводит к недобору прочности. Это особенно чётко проявляется при выдерживании отформованных изделий в условиях сухого жаркого климата. Выполненные исследования позволили найти простое, но эффективное решение - укрытие поверхности изделий в форме путём установки на неё специального светопрозрачного, но теплоизолирующего покрытия. Благодаря такому покрытию, в зазоре толщиной 2-2,5 см между поверхностью бетона и покрытием образуется 100% -ная влажность. Это создаёт для твердения бетона комфортные условия и обеспечение получения изготавливаемых изделий высокого качества. Изготовленные с таким покрытием железобетонные изделия отличаются высокими прочностными показателями и долговечностью. Высокое качество бетона, его структура и свойства были определены путём многолетних исследований, выполненных в НИИЖБ, в Кызылординском государственном университете и на заводских полигонах заводов сборного железобетона в г. Актау. Во всех случаях структура и свойства бетона (прочность на сжатие, растяжение, модуль упругости, морозостойкость) не только не отличались от аналогичных показателей бетонов, твердевших 28 суток в нормальных температурно-влажностных условиях, но даже их превосходили.

На основе теоретических принципов и экспериментальных исследований была разработана технология производства сборных железобетонных изделий на заводских полигонах с термообработкой изделий солнечной энергии. Технология строилась следующим образом. Подготовленные для укладки бетона формы на полигоне очищались после распалубки ранее изготовленных в них изделий и смазывались. В них устанавливалась арматура с фиксаторами, обеспечивающими установленный проектом защитный слой бетона.

Бетонная смесь подаётся на полигон с бетоносмесительного узла завода любым способом (автомашинами, бункерами, автобетононасосами и т.п.), в форму, уплотняется, поверхность изделий заглаживается и сразу же на отформованное изделие устанавливается покрытие с плотным прилеганием к бортам формы. Для более эффективного использования солнечной энергии формование изделий целесообразно начинать в 8 час. утра, чтобы наиболее мощный радиационный поток от Солнца дал бы возможность в течение суток передать бетону больше тепла, а следовательно, и обеспечить быстрое твердение бетона.

В разработке технологии серьёзное внимание было уделено определению оптимальных режимов выдерживания изделий до распалубки. Исследования показали, что за сутки бетон приобретает прочность, равную 50-60% от проектной, но в особо жаркие дни прочность за сутки достигает 70-75%. Затвердевшие изделия распалубливаются, укладываются на полигоне в штабели, покрываются брезентом или полиэтиленовой плёнкой и остаются в таком положении сутки, в течении которых бетон успевает достичь прочности, равной 70-80% от проектной. При выдерживании изделий на полигоне лучше покрывать их штабели брезентом, который рекомендуется орошать водой через 2-3 часа в дневное время.

Исследования показали, что отформованные изделия удобно выдерживать в лёгкой камере из полиэтиленовой плёнки. Эта камера надвигается на штабель и изделия выдерживаются в ней как в парнике, продолжая нагреваться от проникающих через плёнку солнечных лучей. В холодное время года отформованные изделия штабелируются в плёночной камере, в которой сверху и снизу на них подаётся тепло от ТЭНов или инфракрасных излучателей. Такая дополнительная подача тепла к солнечной радиации даёт возможность обеспечить в течение суток достижения бетоном прочности до 75-80% от проектной. В такой технологии поверхность бетона в изделиях покрывается плёнкообразующей жидкостью, которая через 20-30 мин. затвердевает в виде невидимой плёнки толщиной в 100 микронов и надёжно предохраняет бетон от влагопотерь.

На дополнительный прогрев бетона в этом случае расходуется от 20 до 60 кВт электроэнергии на 1 м³ бетона, что значительно меньше по сравнению с паропрогревом или электрообогревом. Распалубливаются изделия только при разности температур между поверхностью бетона и окружающим воздухом не более 20⁰С.

Следует подчеркнуть, что гелиотехнология отличается высокой экологичностью и безопасностью.

Эффективность гелиотехнологии может быть существенно повышена за счет применения новых быстротвердеющих вяжущих и химических добавок, которые уже появились на рынке, позволяющих обеспечить более интенсивное твердение бетона.

Технико-экономические расчёты показывают, что при применении гелиотехнологии экономится большое количество традиционных энергоресурсов - пара или электроэнергии и, в конечном счёте, затрат топлива.

Как известно 1 кг у.т. позволяет получить 7000 ккал. тепла, 1 кг пара позволяет получить примерно 600 ккал., 1м³ газа при сжигании даёт 8500 ккал. В промышленности сборного железобетона в основном для термообработки отформованных изделий применяется пар, которого тратится от 400 до 1200 кг на 1м³ железобетона. Даже если при средних затратах пара 500 кг на прогрев 1м³ железобетонных изделий, выделяется 300000 ккал. тепла, что соответствует затратам газового топлива свыше 35 м³ газа на прогрев 1м³ изделий.

В Республике Казахстан выпуск сборного железобетона составил в 2005 г. - 2365984 м³, в 2006 г. - 2906969 м², в 2007 г. - 1331613 м³, в 2008 г. за 9 месяцев объём производства сборного железобетона составил - 833074 м³. Если ежегодно по гелиотехнологии в тёплый период времени года будет выпускаться 200000 м³ сборных железобетонных изделий, можно будет сэкономить 7 млн. м³ топлива в пересчёте на газ. Если же в холодные месяцы

года по комбинированной гелиотехнологии будет выпускаться ещё 100000 м³ изделий в год, экономия топлива по сравнению с паропрогревом может составить ещё 1,7 млн. м³ газа (при расчёте принято, что при комбинированном методе расход условного топлива в пересчёте на газ составит 17 м³ ).

Таким образом, в целом при применении гелиопрогрева бетона экономия условного топлива в пересчёте на газ составит 8,7 млн. м³ по сравнению с паропрогревом.