Снижение расхода тепла при производстве бетона и железобетона

Исходя из опыта работы передовых заводов бывшего СССР и научных исследований, могут быть предложены следующие основные пути снижения расхода тепловой энергии при производстве бетона и железобетона.

1. Увеличение коэффициента полезного использования тепла за счет повышения термического сопротивления элементов ограждения камер.

Замена обычно применяемого для камер тяжелого бетона на легкий керамзитобетон или другие эффективные материалы.

Применение многослойных ограждающих конструкций с теплоизоляционным слоем, защищенным специальным покрытием от увлажнения. Сокращение теплопотребления не менее чем в 2 раза. Теплотехнические характеристики различных вариантов камер приведены в табл. 1.

2. Автоматизация процесса термовлажностной обработки для поддержания температурно-влажностных режимов пропаривания бетона, которая обеспечивает необходимые прочностные показатели бетонных изделий и снижает расход тепловой энергии на 15-20% по сравнению с расходом энергии в тепловых установках без автоматизации.Теплотехнические характеристики различных вариантов камерТаблица 1

Вид огражденияМасса ограждения, кг/м3Удельный расход тепла, МДж/м3Непроизводи-тельные потери
МДж/м3%
1Стены и днище из тяжелого бетона толщиной 300 мм (типовой вариант)66086062072
2То же из керамзитобетона марки 200 и плотностью 1500 кг/м3при толщине стен, мм:
300
200


450
300


530
490


290
250


55
51
3Стены из тяжелого бетона с минераловатным утеплителем (50 мм), воздушной прослойкой (40 мм) и листовой гидроизоляцией4502804014
4Стены из двух слоев тяжелого бетона (2х100 мм) с воздушным зазором между ними (50 мм)44064040062
5То же с внутренней стенкой из асбестоцемента47036012033
Наиболее эффективной является система, в которой регулируемым параметром будет температура бетона в изделиях. В этом случае температура непосредственно связана с ростом прочности бетона, а это позволяет более точно регулировать процесс тепловой обработки.

Система, в которой регулируемым параметром является температура паро-воздушной среды или конденсата, не дает точной информации о росте прочности бетона, что приводит к удлинению сроков тепловой обработки.

При применении автоматизированных пропарочных камер в сочетании с повышенной теплозащитой и экранной изоляцией стен от увлажнения удельный расход тепла может снизиться до 350-400 МДж/м 3, т.е. почти в 4 раза ниже среднего показателя по республике.

3. Улучшение тепло- и массообменных процессов в рабочем объеме тепловых агрегатов (камер) за счет получения паровоздушной массы одинаковой температуры благодаря направленной подаче пара. Равномерное перемешивание воздуха с паром для полного использования тепла и устранения перепадов температур в отдельных частях изделий.

4. Сокращение энергозатрат при приготовлении бетонной смеси путем снижения скорости вращения барабана, применения химических добавок (хотя приготовление бетонной смеси не является самым энергоемким процессом).

Энергоемкость приготовления бетонных смесей в зависимости от их плотности приведена в табл. 2.

Использование пластифицирующих добавок в оптимальных пределах позволяет снизить затраты энергии на 30-50%. При постоянном их использовании мощность двигателей смесительных агрегатов возможно снизить до ближайшего меньшего значения в зависимости от вида электродвигателя.Энергоемкость приготовления бетонных смесей в зависимости от их плотностиТаблица 2

ПоказательПлотность смеси, кг/м3
1200136015001830211023002350
Энергоемкость приготовления смеси, кВт ч/м30,650,720,871,261,21,61,7
Примечание: бетонные смеси приготовлялись жесткостью 10—15.

5. Влагопотери при термообработке незащищенных (не опалубленных) поверхностей снижают прочность бетона на 25-30%, а морозостойкость - на 40% и более. Около 75% влаги при тепловой обработке испаряется из верхнего слоя бетона, главным образом в первые 8-10 часов, поэтому вопрос защиты неопалубленных поверхностей приобретает особое значение. Для этих целей применяются пароизоляционные материалы: полимерная пленка, прорезиненная ткань, рубероид и др.

Для уменьшения потерь влаги с успехом применяются депрессоры испарения (высшие жирные спирты), которые замедляют процесс испарения влаги с поверхности бетона при неблагоприятных условиях окружающей среды, т.е. в условиях низкой влажности и высоких температур.

Депрессоры снижают испарение влаги из бетона преимущественно в начальные сроки твердения, что необходимо для эффективного протекания в нем процессов гидратации и твердения. Бетонная смесь с депрессором в течение 2-3 часов с момента приготовления сохраняет удовлетворительные реологические характеристики, что необходимо для формования изделий и получения бетона высокого качества.

Депрессоры испарения влаги позволяют расширить область применения энергосберегающих технологий в производстве сборного и монолитного железобетона, заменить обработку паром более экономичным беспаровым прогревом продуктами сгорания природного газа.

6. Существенно сокращается продолжительность тепловой обработки изделий при совмещении интенсивного механического и теплового воздействия на бетон (динамометрическая обработка).

Приложение в определенный период механических воздействий способствует направленному структурообразованию бетона и улучшению его свойств. Механическое давление на твердеющую смесь может создаваться специальным пригрузом, жесткой крышкой форм или их пакетированием, избыточным давлением пара в пропарочной камере. Интенсивность пригруза следует принимать 10-70 г/см2.

По данным НИИ бетона и железобетона (г. Москва), при форсированном режиме тепловой обработки под пригрузом отпускную прочность, достигающую 70% проектной, можно получить на 3-6 часов быстрее, т.е. в 1,5-2 раза сократить цикл тепловой обработки и во столько же раз увеличить оборачиваемость форм.

7. Применение пленкообразующих материалов, которые наносятся путем равномерного распыления на поверхность свежесформованного бетона. В качестве пленкообразующих материалов используется этиноль, разжиженный бензином битум, водные эмульсии синтетического каучука, полимеры и искусственные смолы, латексные составы.

Влагопотери образцов, защищенных латексными составами, после теплообработки в течение 8 часов при t=95°C составили 7%, а без защитного покрытия - 36%. При этом прочность бетона по сравнению с проектной повышается на 15-20%.

Нанесение пленкообразующего покрытия позволяет не только повысить прочность, но и корректировать режимы термообработки: на 1-3 часа уменьшить ее продолжительность либо снизить температуру изотермического выдерживания, а значит, на 15-20% уменьшить расход энергии.

8. Снижение температуры при тепловой обработке бетона до 65 и 50°С позволяет снизить на 20-25% энергозатраты по сравнению с прогревом при температуре 80°С.

С увеличением длительности прогрева при температуре 80°С энергозатраты постоянно растут, а при 65°С и 50°С стабилизируются на одном уровне.

Это происходит за счет выделения тепла цементом. Экзотермическая реакция цемента с влагой компенсирует энергозатраты, необходимые для поддержания заданного уровня температуры на стадии изотермического прогрева.

Таким образом, тепловая обработка бетона при пониженных температурах (65 и 50°С) позволит снизить энергозатраты и наиболее полно использовать тепло экзотермии цемента на стадии изотермического прогрева.

9. Использование модифицирующих добавок - пластификаторов и ускорителей твердения.

Суперпластификаторы для бетонных смесей (С-3, 10-03, MФAC-P, СПС, 100-П и др.) в несколько раз увеличивают текучесть (подвижность) бетонных смесей при нормативных расходах цемента.

Добавка в бетон С-3 в количестве от 0,5 до 1% по сухому веществу от массы цемента увеличивает подвижность бетонных смесей с осадкой конуса 2-4 см (исходное значение) до 20-22 см, превращая жесткую бетонную смесь в литую без увеличения водоцементного отношения.

Применение добавки С-3 позволяет уменьшить на 20% расход воды - самого теплоемкого компонента бетонной смеси, а бетон с добавкой С-3 после термической обработки в средне- и низкотемпературных режимах имеет прочность на 10-15% больше, чем без добавки.

Это дает возможность получать бетоны, в т.ч. марок 600 и 700, на основе цементов марок пониженного качества, полностью отказаться (при изготовлении бетонов до марки 300) или существенно снизить (в 3-5 раз) продолжительность и интенсивность виброуплотнения, механизировать производство, сократить затраты труда при транспортировании и укладке бетонных смесей в монолитных конструкциях.

Народнохозяйственный экономический эффект обеспечивается сокращением расхода цемента на изготовление бетона в среднем на 7% , снижением энергозатрат на формование и укладку бетонных смесей на 5% (1,7 кВт/м3 бетона), переходом на мягкие режимы тепловлажностной обработки при температуре 65-50°С, отказом от использования энергоемких чистоклинкерных цементов марки 600 и выше, сокращением металлоемкости формовочной оснастки в среднем на 2 кг/м3 за счет уменьшения массы форм и увеличения продолжительности их эксплуатации.

Суммирование этих отдельных показателей экономии даст сокращение энергозатрат на 1 м 3 железобетона в пределах 8-13 кг условного топлива. Затраты энергоресурсов на изделия промышленного строительства, изготавливаемые из бетонов с добавкой С-3, приведены в таб. 3.

10. К значительному перерасходу цемента приводит применение непромытых, нефракционированных нерудных материалов. Использование заполнителей, не соответствующих стандартным требованиям, приводит к дополнительному (до 10%) расходу цемента.Затраты энергоресурсов на изделияпромышленного строительства, изготавливаемые из бетонов с добавкой С-3Таблица 3

КонструкцияКласс бетонаРасход энергоресурсов на 1м3бетон. изделия, кг у. т.Расход энергоресурсов на бетон. изделия, кг у. т.Суммарный расход на бетонные изделия, кг у. т.
без добавкис С-3без добавкис С-3без добавкис С-3
Ферма с пролетом 24 м
В30
В45
169
220
137
189
1096
1440
2510
2642
2330
2491
2330
2491
Балка двутавровая с пролетом 18 мВ40
В50
192
243
163
204
820
855
696
743
1606
1631
1482
1519
Колонна высотой 18 м
В25
В45
133
220
124
189
121
200
113
172
715
543
707
716
11. Совершенствование методов подвода тепла к изделиям и выбора экономичного теплоносителя, в том числе за счет применения электрических методов нагрева (электродные, контактные, индукционные и др.).

Расход электроэнергии при различных методах электронагрева находится в пределах 60-100 кВт ч/м3, или 600-1000 МДж/м3, т. е. примерно в 1,5-2,5 раза ниже фактического среднеотраслевого расхода тепловой энергии. Ожидаемая экономия составляет около 17 кг условного топлива на 1 м3.

Следует помнить, что это преимущество теряется при сравнении с паровыми установками, в которых потери тепла сведены к минимуму. Учитывая это обстоятельство, электропрогрев в технологии железобетона целесообразно применять тогда, когда это диктуется технологическими особенностями производства и санитарно-гигиеническими тре-бованиями.

12. Применение, более экономичных по сравнению с ямными, вертикальных, туннельных, щелевых и малонапорных камер. В последних расход пара на 30-40% ниже, чем в ямных.

13. Снижение расхода тепловой энергии за счет применения пропарочных камер испарительно-конденсационного типа с инжекторным способом подачи пара.

14. Применение технологии изготовления тонкостенных плит в греющих пакетах, внедрение которых позволяет снизить затраты энергии на тепловую обработку в 2,6 раза.

По этой технологии на одном поддоне изготавливается несколько плит, разделенных между собой тонкими металлическими прокладками, а к ним крепятся плоские сетчатые нагреватели.

Создание искусственного массива бетона позволяет максимально использовать тепло гидратации цемента на нагрев бетона и ускорить сроки его твердения.

При таком способе термообработки почти вся подводимая тепловая энергия используется на нагрев бетона.

15. Использование вторичных энергоресурсов. Производство сборного железобетона имеет ряд источников ВЭР:

- газы с температурой 125-300°С;

- охлаждающая вода с температурой 40-50°С;

- конденсат от установок тепловой обработки с температурой 80-100°С.

Все эти энергоресурсы должны использоваться на всех заводах сборного железобетона.

16. Особого внимания заслуживает проблема экономичного и рационального расхода цемента в производстве бетона, поскольку этот резерв энергосбережения не менее значителен, чем совершенствование системы технологического и общезаводского теплопотребления.

Исследования НИИЖБ показали, что для основной номенклатуры сборных железобетонных и бетонных конструкций марок от 200 до 400 наиболее эффективно использовать шлаковые портландцементы, на производство которых требуется меньше топлива. Расход условного топлива на 1 м 3 бетона при применении различных цементов приведен в табл. 4.Расход условного топлива на 1 м3бетона при применении различных цементовТаблица 4

Марка бетонаРасчетные показателиПортландцемент бездобавочный марокПортландцемент с минеральными добавками марокШлаковый портландцемент марок
400500400500300400
200Расход цемента, кг/м3
расход условного топлива, всего, кг/м3
в том числе на
- производство цемента,
- пропаривание
275

97,5

61,5
36
240

89,5

53,5
36
295

92

56
36
260

89,5

53,5
36
335

81

36
45
295

82,7

39,5
43,2
300Расход цемента, кг/м3
расход условного топлива, всего, кг/м3
в том числе на
- производство цемента,
- пропаривание
360

111,9

80,5
31,4
320

102,9

71,5
31,4
385

104,4

73
31,4
340

101,4

70
31,4
-

-

-
31,4
385

88,7

51
37,7
Как видно из табл. 4, портландцементы без минеральных добавок до марки 500 включительно не имеют никаких преимуществ по сравнению с портландцементами с минеральными добавками для изготовления бетонов до марки 300.

Из этой же таблицы следует, что применение того или иного вида цемента должно определяться физико-техническими свойствами изделий, бетонов, растворов, а также областью их применения и экономической целесообразностью. Это:

а) организация производства цемента марок 200 и 300 для изготовления строительных растворов и бетонов до марки 200;

б) производство шлакового портландцемента;

в) использование бездобавочных цементов для выпуска только специальных бетонов при наличии ТЭО целесообразности этого;

г) отражение в нормативных документах того, что применение цементов марки 500 и выше допустимо только для изготовления бетонов марок 500,600 и монолитных конструкций, возводимых при низких и отрицательных температурах.

17. Разработка заводских норм для энергопотребляющего оборудования, в первую очередь для камер термовлажностной обработки железобетонных изделий.

18. Уменьшение потерь и отходов всех сырьевых материалов, используемых в производстве бетона и железобетона.

19. Улучшение организации производства с переходом к двух- или трехсменным бригадам. Повышение оборачиваемости камер.Леонид СОКОЛОВСКИЙ, начальник главного управления строительной науки и нормативов Минстройархитектуры Республики Беларусь

Продолжение следует


Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 18 за 2001 год в рубрике энергетика

©1995-2022 Строительство и недвижимость