В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров гелиокрышки, применяемой при интенсификации твердения изделий из пенобетона с использованием солнечной энергии, в целях обеспечения наибольшего прогрева от солнечной радиации бетона и увеличения срока их службы без замены светопрозрачного материала.

УДК 691.327.33

Н.Т. ДАУЖАНОВ, канд. техн. наук, доцент, Республиканское казенное предприятие на правах хозяйственного ведения «Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата» (РГП на ПХВ «КГУ им. Коркыт Ата»), г. Кызылорда, Казахстан, Б.А. КРЫЛОВ, доктор техн. наук, профессор, академик Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН), Москва, Россия, Л.Б. АРУОВА, доктор техн. наук, профессор, КГУ им. Коркыт Ата, г. Кызылорда, Казахстан

Ключевые слова: гелиопрогрев, ускорение твердения, гелиокрышка, воздушная прослойка, полимерная пленка, влагопотери, пропускающая способность покрытия, толщина зазора
Keywords: helio heating, acceleration of hardening, helio cover, air layer, polymer film, moisture loss, passing capacity of the coating, thickness of the gap

При выборе эффективных выпускаемых промышленностью полимерных пленок и установлении оптимальных параметров гелиокрышки, в т.ч. количества их слоев, основным критерием служит наибольший прогрев от солнечной радиации бетона, находящегося под светопрозрачным покрытием, выраженный числом градусо-часов М, что отражает наилучшее сочетание пропускающей способности покрытия прямой и диффузной солнечной радиации и теплоизолирующей способности в несолнечное время суток.

На основе проведенных исследований [1-3] разработана технология производства изделий из пенобетона на полигонах в регионах с сухим и жарким климатом с учетом использования для ускорения их твердения солнечной радиации естественной плотности. Данная технология основана на использовании гелиокрышки простой конструкции, состоящей из рамы и светопрозрачного материала.

Определение оптимальных параметров гелиокрышки осуществлялось по двум направлениям: исследовались светотехнические и эксплуатационные характеристики светопрозрачных материалов; устанавливались число слоев покрытия и оптимальное их расположение. При выборе светопрозрачных материалов основное внимание уделялось полимерным пленкам как более надежному и практичному материалу.

Критериями при первоначальном выборе светопрозрачных материалов были: высокие показатели пропускающей способности для солнечных лучей и минимальный показатель для лучей, испускаемых нагретым бетоном. Кроме того, учитывались стойкость и долговечность этих материалов как при высокой относительной влажности и температуре 60-70°С, в которых находится материал нижнего слоя гелиокрышки, так и в суровых условиях жаркого климата, а также их доступность и стоимость.

Согласно полученным результатам исследований для применения в гелиокрышках наиболее пригодными являются светопрозрачные материалы с максимальной пропускающей способностью лучей с длинами волн 0,5-4 мкм и минимальным пропусканием лучей дальней инфракрасной части спектра, т.е. с наиболее развитым «парниковым эффектом».

Вместе с тем исследования показали, что принцип аддитивности [4] применительно к многослойным пленочным конструкциям покрытий (каким является гелиокрышка) неприменим, и для каждой конкретной модификации покрытия на основе различных светопрозрачных материалов нужно определять значения фактического светового потока на поверхности бетона.

В результате экспериментального исследования, представленного на рис. 1, проведенного с применением в качестве светопрозрачного материала полиэтиленовой пленки [5] как наиболее соответствующей предъявляемым требованиям, выявлена наибольшая эффективность двухслойного светопрозрачного покрытия. При этом оптимальная толщина зазора между нижним слоем полимерной пленки и поверхностью пенобетона, а также толщина воздушной прослойки между слоями светопрозрачного покрытия, соответственно, составили 30-35 мм и 3-5 мм.

Как видно из рис. 1, значение М (град•час), достигнутое при использовании однослойного покрытия, составляло на 10-12% меньше соответствующего значения, чем при использовании двухслойного покрытия. Дальнейшее увеличение числа слоев полиэтиленовой пленки (более двух) не приводит к повышению максимальной температуры прогрева пенобетона, а наоборот, наблюдается тенденция к ее снижению.

Конструктивно светопрозрачное покрытие наиболее оптимально оформлять в виде специального вкладыша в корпус гелиокрышки. При этом целесообразно применять усовершенствованные покрытия с предварительным натяжением (механическим или термическим способом) полимерной пленки, что позволяет значительно сократить трудоемкость изготовления и улучшить эксплуатационные свойства.

Кроме того, допускается размещать верхний слой гелиокрышки под определенным углом к горизонту для удаления атмосферных осадков. Усовершенствованные гелиокрышки можно применять без замены вкладыша в течение 8-12 месяцев. Долговечность покрытий без замены светопрозрачного материала может быть обеспечена и при использовании стекла или стеклопакетов, но при этом требуется специальная прочная конструкция рамы гелиокрышки, что приводит к увеличению трудоемкости ее изготовления и расходов на материалы.

Создание герметизированной воздушной прослойки между двумя слоями светопрозрачного покрытия (3-5 мм) и зазора между нижним слоем гелиопокрытия и свежеуложенным бетоном (30-35 мм) способствует эффективной реализации гелиотермообработки и получению качественных изделий из пенобетона.

Воздушная прослойка между светопрозрачным покрытием и свежеуложенным пенобетоном в процессе гелиотермообработки образует замкнутую среду, насыщенную водяными парами с высокой относительной влажностью, которая способствует обеспечению благоприятных условий твердения пенобетона. Такая насыщенная водяными парами среда создается во время начального прогрева в результате частичного испарения влаги (до 4-5% воды затворения) из бетона. Герметизированная воздушная среда, насыщаясь водяными парами, препятствует дальнейшему продолжению процесса испарения влаги из пенобетона. Кроме того, наличие такой воздушной прослойки способствует отсутствию контакта применяемого полимерного материала с поверхностью пенобетонной массы и тем самым сохраняет необходимые оптические характеристики светопрозрачного материала, повышает долговечность покрытия, удлиняет периоды его эксплуатации и позволяет получать качественную поверхность изготовляемого изделия.

Многослойность конструкции светопрозрачного гелиопокрытия оказывает положительное влияние для максимального проявления «парникового эффекта», а также обеспечивает дополнительную теплоизоляцию, способствующую достижению требуемых значений температуры на поверхности бетона во время активного солнечного излучения, и плавному снижению температуры изделий во время остывания ночью.

Таким образом, количество испаряемой из пенобетона воды зависит от размера зазора и температуры воздуха. Так, например, по данным [6], при зазоре толщиной 0,5 м в него при 50°С испаряется из твердеющего бетона примерно 40% воды затворения, что приводит к нарушению структуры бетона и потере в 28-суточном возрасте до 50% прочности. Малая величина зазора над поверхностью твердеющего бетона сопряжена с возможностью контакта с ней пленочного покрытия, особенно при значительных размерах прогреваемого изделия, и выходом покрытия из строя.

На рис. 2 представлена конструкция гелиокрышки, где в качестве каркаса использована легкая алюминиевая рама, на которую с помощью резинового шнура закрепляется светопрозрачная двухслойная пленка с образованием между слоями герметизированной воздушной прослойки оптимальных размеров.

Кроме того, в целях обеспечения герметичности в гелиокамере для гелиокрышки необходимо предусмотреть замковое крепление. Количество креплений следует назначать в зависимости от размера применяемой гелиокрышки, исходя из среднего расстояния между ними не более 1,5 м.

Из результатов экспериментальных исследований, представленных на рис. 3, проведенных для количественной оценки ожидаемой величины влагопотерь при разной толщине воздушной прослойки между открытой поверхностью бетона и нижним слоем гелиокрышки, видно, что при толщине воздушной прослойки от 30 до 35 мм интенсивность влагопотерь изменялась незначительно и составляла 5-6%. Увеличение же толщины воздушной прослойки до 60-65 мм увеличивает исследуемое значение почти в 2 раза, что, в свою очередь, приводит к снижению (до 20%) прочности пенобетона в 28-суточном возрасте.

Измерение температур в пенобетоне при различных толщинах воздушной прослойки между открытой поверхностью бетона и нижним слоем гелиокрышки (рис. 4б) подтверждает оптимальность установленных диапазонов значений (30-35 мм), при которых максимальная температура в бетоне достигала 62-65°С, тогда как при зазоре 60-65 мм аналогичное значение не превышало 55°С (рис. 4а).

Снижение температуры бетона с увеличением толщины зазора между поверхностью пенобетона и нижним слоем полимерного материала указывает на возрастание величин влагопотерь и интенсивности обезвоживания.

Таким образом, гелиокрышка с установленными оптимальными параметрами существенно изменяет температурные режимы твердения пенобетона как на стадии прогрева его радиационным потоком, так и при выдерживании изделий ночью. На стадии прогрева пенобетона конструкция гелиокрышки обеспечивает максимальное использование прямой и диффузной солнечной радиации для интенсивного роста температуры поверхности изделия. При отсутствии радиационного потока та же конструкция гелиокрышки совместно с низкой теплопроводностью пенобетона создает оптимальные условия для термосного выдерживания прогретого изделия при его медленном остывании. Универсальность конструкции гелиокрышки необходима для снижения трудозатрат при обслуживании гелиоформ, отказа от применения дополнительных теплоизолирующих покрытий в ночное время и гарантированного получения изделий из пенобетона с высокими физико-механическими показателями после гелиотермообработки.

Библиографический список

1. Даужанов Н.Т., Крылов Б.А., Аруова Л.Б. Технология гелиотермообработки изделий из пенобетона на полигонах // Вестник Саратовского государственного технического университета, №1 (74), 2014, с. 35-39.

2. Даужанов Н.Т., Крылов Б.А. Малоэнергоемкая технология термообработки изделий из пенобетона на полигонах с помощью солнечной энергии // Вестник МГСУ, №3, 2014, с. 149-157.

3. Даужанов Н.Т., Крылов Б.А., Аруова Л.Б. Гелиополигоны для производства изделий из пенобетона // Вестник МГСУ, №4, 2014, с. 79-86.

4. Вершинин В.И., Харькова М.А., Власова И.В. Планирование эксперимента как способ изучения отклонений от аддитивности светопоглощения // Вестник ОмГУ, №2, 2010. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/planirovanie-eksperimenta-kak-sposob-izucheniya-otkloneniy-ot-additivnosti-svetopogloscheniya (дата обращения: 01.07.2015).

5. ГОСТ 10354-82. Пленка полиэтиленовая. Технические условия. ­Взамен ГОСТ 10354-73; Введ. 01.07.1983.

6. Заседателев И.Б., Малинский Е.Н., Темкин Е.С. Гелиотермообработка сборного железобетона. – М.: Стройиздат, 1990.