Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ АСФАЛЬТОВЫХ УПЛОТНЕНИИ

Исследуем тепловое состояние асфальтовых уплотнений деформационных швов гидросооружений, возникающее в процессе работы электронагревателей двух видов: стационарного нагревателя и сборного электронагревателя, который для краткости именуется ниже Э-нагревателем.

Опыт показывает, что разогрев с помощью U- и Э-нагревателей происходит по-разному. В первом случае источники тепла (обычно это стержни арматуры, размещенные по контуру уплотнения вблизи бетонной кромки) нагревают битумную шпонку более или менее равномерно по всей границе. Во втором случае источник тепла помещается в центре шпонки, так что тепло передается периферийным областям, проходя все сечение уплотнения.

В результате экспериментальных исследований и непосредственных измерений параметров процесса разогрева, выполненных автором (Кременчугская и Братская ГЭС), установлено, что при одинаковой мощности разогрев нагревателями происходит более медленно. На наш взгляд причиной этого являются следующие обстоятельства. При обогреве шпонок нагревателями стержни арматуры (электроды) расположены близко от поверхности массивного бетона, теплопроводность которых значительно выше теплопроводности битумной мастики. Кроме того, в случае интенсивной фильтрации воды, которая обычно имеет место перед ремонтом уплотнений, происходят большие потери тепла, выделяемого отдельными электродами. В то же время разогрев с помощью одного источника тепла, помещенного в центре уплотнения, приводит к быстрому плавлению материала шпонки, что является, как будет показано ниже, весьма благоприятным фактором.

Температурный расчет битумных шпонок деформационных швов плотины (при разогреве Э-нагревателями) сводится к решению пространственной задачи теплопроводности с весьма сложными граничными условиями в силу того, что опускающийся по мере плавления мастики электронагреватель представляет собой подвижный источник тепла.

Строгое решение подобной задачи связано со значительными математическими трудностями. Поэтому представляет интерес приближенная, но вместе с тем более простая постановка задачи, которая, что важно, дает возможность оценить преимущества предлагаемого способа разогрева в сравнении с известным методом обогрева стационарными нагревателями.

Предположим, что вертикальные перемещения Э-нагревателя во время разогрева отсутствуют, т. е. Э-нагреватель, так же как и нагреватель, находится в стационарном положении. В этом случае температурное поле в материале уплотнения будет плоским, что приводит к упрощению задачи теплопроводности.

Далее рассмотрим неоднородные области, состоящие из бетона и мастики заполнителя уплотнения, теплофизические характеристики которой зависят, как известно, от марки битума и свойств наполнителя, а также от температуры. Размеры расчетных областей могут быть определены, исходя из следующих соображений. Известно, например, что уплотнения деформационных швов гидросооружений располагаются обычно на расстоянии 1,5-2,5 м от напорной грани. Вместе с тем можно показать, что температура зон бетона, удаленных на 2-3 м от границы битумной шпонки, практически не влияет на тепловое состояние материала уплотнения за время обогрева.

Если материал уплотнения не находится в жидком состоянии, то передача тепла происходит путем теплопроводности так как, вообще говоря, теплофизические характеристики мастики зависят от температуры.

Зависимость теплофизических характеристик битумных мастик от температуры исследовались во ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева Б. В. Леоновым.

Материал уплотнения, нагреваясь, размягчается и при некоторой температуре переходит в жидкое состояние. Процесс теплопередачи в жидкой мастике протекает иначе. Вследствие интенсивного перемешивания расплавленных слоев происходит быстрое выравнивание температуры вокруг источника тепла, т. е. имеет место конвективный теплообмен. Задачи, связанные с изменением агрегатного состояния матариала (например, при плавлении), известны в теории теплопроводности как задачи Стефана. В классической постановке подобных задач предполагается выполнение так называемого условия Стефана на границе фаз (условия фазового перехода). Заметим, однако, что битум - основное вяжущее материала уплотнения - является аморфным веществом и поэтому переход его из твердого состояния в жидкое не требует подвода дополнительного количества тепла (теплоты плавления), как это имеет место в материалах с кристаллической структурой. В силу этого трудно говорить о постановке условия Стефана на границе жидкой и нежидкой частей материала уплотнения.

Выше отмечалось, что возможная фильтрация воды через уплотнение способна значительно снизить полезное тепловыделение отдельных электродов. В то же время заполнение трещин и пустот в асфальтовой шпонке может произойти только в результате полного плавления хотя бы некоторой части шпонки.

При Э-нагреве происходит интенсивное плавление материала заполнителя, который, естественно, быстро проникает в имеющиеся трещины и пустоты материала уплотнения.
Таким образом, выполненные расчеты показали, что при разогреве шпонки с помощью сборно-разборного Э-нагревателя восстановление сплошности материала в уплотнениях деформационных швов достигается быстрее и с меньшими затратами электроэнергии.

В заключение кратко рассмотрим вопрос об экспериментальном обосновании результатов расчетов. Сопоставление полученных ранее на ряде гидроузлов экспериментальных кривых изменения температур во времени в различных точках асфальтовой шпонки, разогреваемой Э-нагревателем с теоретическими результатами говорит об их качественном соответствии. Имеющиеся количественные расхождения могут быть объяснены в первую очередь различием расчетных и действительных теплофизических характеристик, а также возможными погрешностями измерений, что указывает на необходимость продолжения экспериментальных и теоретических исследований разогрева мастик с помощью предлагаемого сборно-разборного нагревателя.

Необходимо сказать, что поставленная и решенная плоская задача теплопроводности о разогреве асфальтовых уплотнений деформационных швов позволяет достаточно точно и надежно назначать параметры электрической цепи различных электронагревателей в зависимости от размеров шпонки, начальной температуры массивного бетона и мастики, а также теплофизических свойств заполнителя. Так, например, натурными испытаниями установлено, что для разогрева заполнителя по предложенному нами способу оптимальный диаметр электронагревателя должен быть: для асфальтовых шпонок сечением 100x90 см в 75,2 мм и для асфальтовых шпонок сечением 40х х60 см - в 50,2 мм.

А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975

Экспертиза

на главную