Строительство и архитектура/3. Современные строительные материалы

Инженер Акопян А.В., магистрант Семенова Е.Ю., к.т.н., профессор Щукина Т.В.

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Исследование процесса гелиотермообработки строительных изделий в климатических условиях ЦЧР

Возможность эффективной утилизации солнечной радиации для тепловой обработки бетонов подтверждается имеющимся обширным опытом ее использования в климатически благоприятных регионах РФ и СНГ [1]. Как правило, для данных технологических процессов из большого ряда существующего гелиотехнического оборудования выбирают наиболее простые в конструктивном исполнении гелиокамеры с прямым нагреванием по принципу теплиц. К ним относятся устройства по своим параметрам соответствующие, а, следовательно, и относящееся по классификации оборудования к плоским коллекторам.

Тепловой процесс в таких мало затратных в изготовлении гелиокамерах достигает высоких показателей при интенсивном солнечном излучении, характерном для летнего сезона [1, 2]. Поэтому определять эффективность гелиотермообоработки строительных изделий в климатических условиях Центрального Черноземного Региона, а именно в Воронежской области, целесообразно на массивах устройств данного класса.

Для излучения влияния солнечной радиации и оптических свойств светопрозрачных укрытий на температурный режим бетонных элементов при их твердении были изготовлены плоские коллекторы, представленные на рис. 1. В качестве теплоприемников использовались образцы размером 300х400х100 мм, помещенные в опалубочные формы шириной 324 мм, длинной 424 мм и высотой 120 мм в соответствии со схемой рис. 2. Для исключения влагоотдачи бетона швы опалубочных форм были обработаны силиконом, стенки пропитаны машинным маслом. Малогабаритные гелиокамеры размером 388х464х140 мм имели следующие светопрозрачные материалы (рис. 1, 2): а – стекло, б – пленка, в – поликарбонат.

а) б) в)

Рис. 1. Состояние гелиоформ при твердении бетонных образцов в условиях слабой интенсивности солнечного излучения, характерной для 10 часов утра при повышенной облачности: а – укрытие со стеклом; б – тоже с полиэтиленовой пленкой; в – тоже с поликарбонатом

Летний сезон 2013 г. позволил провести экспериментальные исследования при различных погодных условиях, исключая аномально высокие температуры окружающей среды. Третья декада июля характеризовалась повышенной облачностью и частыми кратковременными осадками. В третьей декаде августа стояла умеренная температура наружного воздуха, и было без осадков.

Для приготовления бетона, в дальнейшем подвергаемого гелиотермообработке, использовался песок с частицами от 1,2 мм до 3,5 мм без примеси глины или ила, чистый щебень с размерами зерен от 10 до 80 мм и портландцемент марки М500. Для получения бетона марки 300 применялось соотношение цемента, песка и гравия 1:3:5 при водоцементном соотношении 0,6.

Измерение температуры в исследуемых образцах производилось в течение первых и последующих суток посредством термопар. При неблагоприятных погодных условиях в ночное время предусматривалось укрытие светопрозрачных ограждений малогабаритных гелиокамер посредством теплоизоляционного материала URSA.

Рис. 2. Схема расположения бетонных образцов в гелиотехнических устройствах с разными прозрачными покрытиями: а – стекло; б – полиэтиленовая пленка; в – поликарбонат; 1 – точка замера температуры на нижней поверхности образца; 2 – то же на верхней поверхности; 3 – то же внутри камеры

При исследовании теплового режима, возникаемого под воздействием солнечной радиации в образцах, установлено, что температура каждого элемента структуры в течение суток испытывает гармонические колебания, и процесс распространения теплоты в массиве носит волновой характер. Максимальных значений температура в бетоне достигает со смещением в периоде на 3-4 часа по сравнению с изменением температуры окружающей среды. Данное наблюдение подтвердило полученные ранее результаты математического моделирования [2], которые так же показали влияние тепловой инертности на нагревание и остывание массива.

Изменения температуры образцов в гелиоукрытии, выполненном с применением стекла (рис. 3), а также других светопрозрачных материалов (табл. 1) при благоприятных погодных условиях показывают перспективность обустройства полигонов на территории ЦЧР для проведения термообработки за счет солнечной радиации. При более высоких температурах наружного воздуха, которые фиксируются многолетними метеонаблюдениями эффективность тепловой обработки может быть повышена на 20-30 %, но такие погодные условия, как правило, устанавливаются на кратковременный период.

Таблица 1

Температура нагрева бетона (Т) в зависимости от конструкции

прозрачного ограждения

Дата проведения измерений/схема		T точки, ° С	Время суток, ч
			10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	1	2	3	4	5	6	7	8	9
24.08.13	1/1 стекло	1	22	26	32	39	47	54	58	60	59	56	52	46	42	39	32	27	23	19	18	18	19	20	21	22
		2	22	29	39	47	52	58	61	61	57	52	46	42	39	35	28	23	20	18	17	18	18	19	21	23
		3	22	30	47	54	60	67	70	69	60	52	45	40	36	32	25	19	16	15	14	14	17	20	26	33
	1/2 пленка	1	21	26	29	34	40	45	48	50	51	50	44	42	38	34	30	27	22	19	18	17	18	19	19	20
		2	22	28	36	42	44	51	54	54	50	46	42	37	32	29	25	22	19	17	16	16	17	19	19	24
		3	22	32	47	54	60	66	70	68	61	58	45	40	36	32	25	19	16	15	14	15	18	21	25	33
	1/3 поликарбокат	1	22	25	29	34	41	46	50	53	54	52	49	45	42	39	35	30	26	22	20	19	19	20	20	22
		2	22	29	39	44	49	54	58	59	56	52	48	44	40	35	29	25	23	20	18	18	19	20	20	30
		3	22	32	45	53	59	65	69	68	61	52	45	40	36	30	24	20	18	16	16	16	18	21	25	32
Температура наружного воздуха			18	21	24	26	27	28	29	27	26	26	25	22	20	18	15	14	13	13	12	12	13	15	16	18
25.08.13	2/1 стекло	1	22	26	33	38	44	48	50	50	48	45	45	38	35	30	29	26	24	20	19	18	19	20	21	23
		2	30	38	46	52	56	56	54	52	45	41	37	33	30	28	25	23	20	18	18	17	17	19	21	29
		3	22	32	45	52	58	64	68	67	58	50	45	38	34	30	23	18	16	15	14	14	17	20	25	32
	2/2 пленка	1	20	23	28	33	38	42	44	45	44	41	38	34	32	30	28	27	22	19	17	17	18	19	19	20
		2	24	31	39	43	48	49	48	46	40	38	34	30	28	26	23	20	18	16	15	16	17	19	20	24
		3	28	37	46	52	58	63	66	63	57	48	37	32	28	25	21	18	17	15	14	15	16	19	22	28
	2/3 поликарбонат	1	22	26	32	36	40	44	47	48	46	44	41	38	34	32	29	26	23	20	17	17	17	19	20	22
		2	30	35	44	50	54	56	54	53	46	43	40	35	32	30	27	23	21	18	16	16	17	19	19	25
		3	21	32	45	53	59	65	69	68	62	52	47	40	36	30	24	20	18	16	15	15	16	19	22	30
Температура наружного воздуха			18	20	22	25	26	26	27	26	25	24	23	21	21	20	18	15	14	13	12	13	14	15	16	17

При повышенной облачности сопровождающейся осадками (табл. 2) возникает тепловой режим, который также способствует набору прочности бетона, что позволит его после второго дня обработки отгружать для дальнейшего использования в строительных процессах производства работ.

а )
б)

Рис. 3. Температурный режим твердеющего бетона при выдерживании его под стеклом: а) 1–е сутки (24.08.13), б) 2–е сутки (25.08.13): 1 – нижняя точка измерений в теле образца; 2 – верхняя точка измерений в теле образца; 3 – температура под стеклом; t_нв – температура наружного воздуха.

При высокой интенсивности солнечной радиации и малой облачности максимальные тепловые режимы зафиксированы под поликарбонатным светопрозрачным ограждением (табл. 1). В случае повышенной облачности, сопровождающейся выпадением осадков, лучшие показатели достигнуты в бетонных образцах, набираемых прочность в гелиоформах с силикатным остеклением (табл. 2). На основании полученных данных можно рекомендовать к использованию в гелиотехнических устройствах остекление для районов с небольшой продолжительностью солнечного сияния, а в регионах со значительным количеством ясных дней в году следует применять поликарбонатные светопрозрачные ограждения.

Таблица 2

Температура нагрева бетона (Т) при повышенной облачности и осадках

в зависимости от конструкции прозрачного ограждения, °С

Дата проведения измерений/схема		T точки, ° С	Время суток, ч
			10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22*	23*	24*	1*	2*	3*	4*	5*	6*	7*	8*	9
27.07.13	1/1 стекло	1	22	22	24	23	26	30	32	33	34	33	32	30	28	26	25	24	22	20	19	18	18	19	20	21
		2	22	24	28	26	32	34	35	34	34	32	30	28	28	28	28	27	25	22	20	19	18	19	20	21
		3	24	22	32	24	31	38	38	35	32	28	25	22	23	22	21	19	16	15	15	16	16	17	18	20
	1/2 пленка	1	20	20	22	23	25	28	30	32	33	32	31	30	28	27	26	23	20	17	16	16	18	19	22	23
		2	22	22	27	24	29	34	35	35	34	32	30	28	27	25	24	22	19	17	16	16	16	17	20	22
		3	21	20	30	22	28	33	33	30	27	24	22	21	20	18	18	16	14	13	13	14	15	16	18	21
	1/3 поликарбокат	1	20	21	23	22	25	29	31	32	33	34	33	32	30	29	27	23	19	17	15	15	16	19	21	23
		2	20	21	24	24	28	32	34	34	32	32	32	30	29	28	25	21	18	16	16	16	17	19	21	24
		3	21	24	30	28	32	36	38	36	32	27	27	26	26	24	20	17	14	13	13	14	15	18	20	23
Температура наружного воздуха			17**	20	22	18**	20	21	20	19	19	18**	18	16	16	16	14	12	11	10	11	13	14	14	16	16
28.07.13	2/1 стекло	1	22	23	25	27	28	30	34	38	38	38	34	32	30	27	24	22	20	18	18	18	19	20	21	22
		2	23	25	28	27	32	34	36	39	40	38	36	34	30	26	23	21	19	18	18	18	19	20	21	22
		3	24	26	32	27	36	42	46	48	46	42	32	27	24	22	19	17	15	14	15	16	18	19	20	21
	2/2 пленка	1	22,5	24	25	26	28	29	31	34	36	37	34	31	29	26	23	20	19	18	18	19	20	20	21	22
		2	24,5	27	31	28	34	38	37	40	42	38	32	30	27	23	21	19	18	17	18	19	21	22	23	24
		3	22	24	30	23	31	33	34	37	36	30	24	22	21	19	17	15	14	13	14	16	17	17	19	21
	2/3 поликарбонат	1	23	25	25	27	30	33	34	36	36	35	33	31	30	28	24	20	17	18	18	18	20	23	24	25
		2	24	28	28	32	34	35	37	38	36	32	30	28	26	24	21	18	16	17	18	19	19	22	24	26
		3	28	32	28	34	37	36	39	40	34	31	29	27	28	26	24	19	17	18	19	19	19	22	25	27
Температура наружного воздуха			16	17	18	18**	19	20	21	22	22	21	20	19	18	17	16	14	12	11	10	11	13	14	14

Примечание: ** – в это время шел дождь; * – гелиоформы укрыты утеплителем

Проведенные экспериментальные исследования доказать, что термообработку строительных изделий можно успешно проводить в климатических условиях ЦЧР посредством прямого воздействия солнечной радиации. При этом качество получаемой продукции не снижается, но сокращается энергоемкость производства , что неизбежно окажет положительное влияние на конкурентную способность предприятий стройиндустрии, внедряющих малозатратные технологии утилизации солнечной энергии.

Литература:

1. Подгорнов Н.И. Термообработка с использованием солнечной энергии. – М.: Ассоциация строительных вузов (АСВ), 2011. – 328 с.

2. Щукина Т.В. Повышение энергоактивности гелиотермообработки строительных изделий // Строительные материалы, 2008. -№10 – С. 20-23.

3. Семенов Б.А. Инженерный эксперимент в промышленной теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях. – СПб: Издательство «Лань», 2013. – 400с.