Экспериментальное исследование автоматизированной системы электрообогрева бетона с применением цифрового пирометра

Введение

Россия является страной с суровыми климатическими условиями. В Амурской области, где проводилось настоящее исследование, средняя январская температура на севере понижается до - 40 °С, а в межгорных впадинах - до - 50°С [1]. В соответствии со СП 70.13330.2012 зимними условиями принято считать среднесуточную температуру воздуха ниже +5°С, при которой происходит замедление процесса гидратации цемента [17]. Среди существующих методов зимнего бетонирования (метод «термоса», противоморозные добавки, электродный прогрев, индукционный и инфракрасный обогрев) наиболее технологичным для монолитных конструкций является электрообогрев греющими проводами ПНСВ [17]. Этот метод обеспечивает объемный прогрев бетонной смеси и может быть реализован на объектах любой конфигурации. Однако, традиционная реализация данного метода имеет существенные недостатки: отсутствие оперативной обратной связи по температуре, локальные перегревы, неравномерность температурного поля, повышенные энергозатраты и необходимость круглосуточного присутствия обслуживающего персонала [8].

Современные исследования в области зимнего бетонирования [2; 3; 4] демонстрируют эффективность комбинированных методов, объединяющих автоматизированный контроль температуры с использованием цифровых систем мониторинга. Анализ патентного фонда показал, что современные технические решения направлены на автоматизацию процессов тепловой обработки бетона. Особый интерес представляет цифровой пирометр спектрального отношения, обеспечивающий бесконтактное измерение температуры с высокой точностью [16].

Цель исследования - повышение качества и однородности монолитного бетона при производстве работ в зимних условиях за счет разработки и экспериментальной проверки методики автоматизированного электрообогрева.

Гипотеза исследования - применение системы автоматического контроля и управления на основе цифрового пирометра для электрообогрева бетона в зимних условиях позволит устранить ключевые недостатки существующих методов (локальные перегревы, неравномерность прогрева, высокие энергозатраты) и обеспечить заданное качество бетона за счет точного поддержания оптимального температурно-временного режима твердения.

Материалы и методы исследования Для проведения эксперимента использовался тяжелый бетон класса В25 на портландцементе ПЦ400. Состав бетонной смеси (таблица 1 подобран в соответствии с рекомендациями [5; 8].

Таблица 1. Состав бетонной смеси класса В25 (на 1 м³) Компоненты смести Расход, кг/ м³ Примечания по условиям эксперимен… — см. PDF статьи.

1. Нагревательный контур - греющие провода ПНСВ диаметром 1,2 мм с удельным сопротивлением 0,15 Ом/м и рабочим током 14-16 А. Провода укладывались в теле бетонных образцов по схеме «змейка» с шагом 100 мм. Длина одного нагревательного элемента составляла 28 м. Согласно МДС 12-48.2009 [17], шаг укладки может варьироваться от 50 до 150 мм в зависимости от требуемой мощности прогрева.

2. Система контроля температуры - цифровой пирометр спектрального отношения КМ-6-ДИФ [16] с диапазоном измерения от -50 до +500°С и точностью ±1°С.

3. Блок автоматического регулирования – микроконтроллерный ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ – 251 [13; 14], реализующий обратную связь по показаниям пирометра.

4. Источник питания – понижающий трансформатор напряжением 36 В. Рисунок 1. Экспериментальная установка Для проведения сравнительного анализа были изготовлены три серии бетонных образцов размером 150×150×150 мм (по 12 образцов в каждой серии:

- серия К-1 (контрольная, ручное управление) - прогрев фиксированной мощностью с ручным переключением степеней трансформатора оператором на основе периодических замеров температуры (каждые 2 часа). Имитирует традиционный метод; - серия К-2 (альтернативная, таймерное управление) – циклический режим включения/отключения питания (30 мин. нагрев/30 мин. пауза) без обратной связи по температуре.

- серия О-1 (опытная, автоматизированное управление) – ПИД-регулирование по замкнутому циклу с использованием пирометра КМ-6-ДИФ и контролера ТРМ-251 [13].

Режим термообработки назначался в соответствии с СП 70.13330.2012 [17]:

- подъем температуры: не более 10°С/ч до достижения изотермического уровня +45°С; - изотермическая выдержка: 24 часа при температуре 45±2°С; - остывание: не более 5°С/ч до температуры окружающей среды (- 20 °С).

Все образцы твердели при температуре окружающей среды - 20 °С, что соответствует климатическим параметрам холодного периода Амурской области [1].

Методы испытаний

Испытания образцов на сжатие проводились на гидравлическом прессе ИП-1250 в возрасте 3, 7, 14 и 28 суток. Статистическая обработка результатов включала расчет среднеарифметического, среднеквадратичного отклонения, коэффициента вариации и проверку гипотезы о равенстве дисперсий по F-критерию Фишера. Учет потребленной электроэнергии осуществлялся с помощью счетчика, установленного на первичной обмотке трансформатора.

Результаты экспериментальных исследований Анализ точности поддержания температурного режима. На рисунке 2 представлены фактические графики изменения температуры в центре бетонных образцов для трех режимов управления.

Рисунок 2. Фактические графики изменения температуры в центре бетонных образцов для трех режимов управления Количественн… — см. PDF статьи.

Таблица 2. Анализ точности поддержания температурного режима (изотермический прогрев +45 °С) Параметр Ед. изм. Серия К-1… — см. PDF статьи.

Прочностные характеристики бетона. Результаты испытаний образцов на сжатие представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты испытаний образцов на сжатие Серия Режим управления Прочность в 3 сут., Мпа Вариация в 3 сут.,% Пр… — см. PDF статьи.

1. Конечная прочность (28 суток): образцы серии О-1 показали наибольшую прочность – 31,2 Мпа, что на 16,4% выше, чем при ручном управлении (26,8 Мпа) и на 27,3% выше, чем при таймерном (24,5 Мпа). Полученные значения согласуются с результатами исследований [4; 12].

2. Темпы набора прочности: уже к 3 суткам прочность образцов О-1 составила 14,2 Мпа (45,5% от марочной), что значительно выше показателей других серий (К-1 – 12,4 Мпа, К-2 – 11,8 Мпа). Это критически важно для обеспечения ранней распалубки и ускорения темпов строительства в зимних условиях.

3. Однородность бетона: коэффициент вариации прочности для серии О-1 в 28 суток составил всего 4,1%, что, согласно нормативным документам [17], свидетельствует об отличном качестве производства работ и высокой стабильности технологического процесса. Для серии К-1 этот показатель составил 10,2% (удовлетворительное качество), для серии К-2 – 13,8% (нестабильное качество).

Статистическая проверка значимости. Проверка гипотезы о равенстве дисперсий (F-критерий Фишера) для серии О-1 и К-1:

Табличное значение Fтабл для степеней свободы f1 = f2 = 11 и уровня значимости α = 0,05 составляет 2,82. Так как Fрасч> Fтаб (4,55> 2,82) нулевая гипотеза о равенстве дисперсии отвергается. Это означает, что улучшение однородности бетона в серии О-1 является статистически значимым.

Анализ энергопотребления. В процессе эксперимента велся учет потребленной электроэнергии (таблица 4).

Таблица 4. Сравнительный анализ энергопотребления (на объект 100 м³) Показатель Ед. изм. Серия К-1 Серия К-2 Серия О-1 У… — см. PDF статьи.

- на 14,3% по сравнению с ручным управлением (98 → 84 кВт•ч/ м³); - на 27,0% по сравнению с таймерным управлением (115 → 84 кВт•ч/ м³).

Полученные результаты согласуются с данными исследований [2; 3], демонстрирующими эффективность автоматизированного контроля при зимнем бетонировании.

Достигнутая экономия объясняется исключением нецелевых перегревов и точной подачей энергии в объеме, необходимом для компенсации текущих теплопотерь в режиме реального времени. Полученные удельные энергозатраты (84 кВт•ч/ м³) находятся в нижней границе диапазона, указанного в литературе для метода греющих проводов ПНСВ (80-110 кВт•ч/ м³) [4; 6].

Анализ закономерностей структурообразования. На основе полученных температурных режимов и прочностных характеристик можно оценить особенности микроструктуры цементного камня:

- серия К-1 (ручное управление): нестабильный температурный режим с колебаниями до ± 11,2 °С приводит к формированию микроструктуры с наличием внутренних дефектов и пор неправильной формы. Локальные перегревы вызывают термические напряжения и участки с нарушенной кристаллизационной структурой [8]; - серия К-2 (таймерное управление): пилообразный характер графика с амплитудой до ± 15,8 °С создает наиболее рыхлую и дефектную структуру. Циклические процессы «нагрев – охлаждение» в зоне отрицательных температур приводят к образованию ледяных линз в капиллярах, которые после оттаивания трансформируются в крупные макропоры и трещины. Данный эффект подробно описал в исследовании Сахибгареева с соавторами [12]; - серия О-1 (автоматическое управление): высокостабильный температурный режим (отклонение не более ± 1,8 °С) создает оптимальные условия для формирования плотной, гомогенной структуры цементного камня с равномерным распределением кристаллогидратов и мелкопористой структурой гелиевых пор без микродефектов.

Полученные результаты подтверждают выдвинутую гипотезу и согласуются с известными работами в области зимнего бетонирования.

Согласно исследованиям [8; 12], нестабильность температурного поля является одной из главных причин возникновения микронапряжений в структуре твердеющего цементного камня.

Циклические перепады температуры, характерные для таймерного режима (серия К-2), приводят к эффекту «термоусталости» материала, что в конечном итоге снижает его марочную прочность.

Как показано в работах [2; 5; 6], что одним из ключевых факторов получения высокопрочного и долговечного бетона является соблюдение постоянства температурно-влажностного режима в период его твердения. Байков [2] демонстрирует эффективность интеграции цифровых систем мониторинга в технологии зимнего бетонирования. В эксперименте автоматизированная система (серия О-1) обеспечила среднеквадратичное отклонение температуры всего 0,7 °С, что в 6-8 раз лучше традиционных методов и соответствует наилучшим современным практикам.

Важно отметить, что улучшение качества бетона в серии О-1 достигнуто при одновременном снижении удельных энергозатрат на 14-27%.

Это противоречит распространенному мнению о том, что повышение качества автоматически ведет к росту энергопотребления. Напротив, точное ПИД-регулирование позволяет подавать энергию именно в том объеме, который необходим для компенсации текущих теплопотерь, исключая нецелевые перегревы. Аналогичные результаты получены в исследовании Морозова [9].

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности:

1. Гарантированного достижения проектной прочности бетона в зимних условиях с высокой однородностью (коэффициент вариации менее 5%); 2. Сокращение продолжительности термообработки за счет оптимизации режима набора прочности; 3. Снижения эксплуатационных затрат на электроэнергию и обслуживающий персонал; 4. Удаленного контроля процесса через мобильное приложение [13], что особенно важно для рассредоточенных объектов (линейные сооружения, дороги, трубопроводы).

Заключение

В результате проведенного экспериментального исследования разработана автоматическая система электрообогрева бетона на основе цифрового пирометра спектрального отношения КМ-6-ДИФ и ПИД-контроллера ОВЕН ТРМ-251.

Установлено следующие:

1. Система автоматического управления обеспечивает высокую точность поддержания температуры в изотермический период: среднеквадратичное отклонение составило 0,7 °С, что в 6,8 раза ниже, чем при ручном управлении, и в 8,4 раза ниже, чем при таймерном.

2. Бетон, выдержанный в автоматическом режиме, показал наибольшую прочность в 28 суток – 31,2 Мпа, что на 16,4% выше, чем при ручном управлении, и на 27,3% выше, чем при таймерном.

3. Коэффициент вариации прочности для автоматического режима составил 4,1%, что свидетельствует об отличной однородности материала. По критерию Фишера улучшения однородности является статистически значимым (Fрасч = 4,55> Fтаб = 2,82).

4. Применение ПИД-регулирования позволило снизить удельные энергозатраты до 84 кВт•ч/ м³, что на 14,3% ниже, чем при ручном управлении, и на 27% ниже, чем при таймерном.