Теоретические основы применения электротехнических бетонов в строительстве

Ярцев Д.С., Илюхин А.В. МАДГТУ (МАДИ)

Проблема отопления жилых многоэтажных домов, коттеджей и производственных помещений занимает отдельное место в проектировании и строительстве. Недостатками большинства существующих систем отопления являются сложность монтажа, дороговизна используемых материалов, а также (и скорее всего в первую очередь) высокая стоимость обслуживания. Учитывая это, более целесообразно использовать электрообогрев с использованием электропроводных конструкционных материалов, совмещающих конструкционные свойства и способность нагреваться при протекании через них электрического тока.

Наиболее дешёвыми из таких материалов являются электротехнические бетоны представляющие собой композитный материал на основе цементной связки с заполнителем в виде молотого шлакового углерода, который является отходом, получаемым в процессе коксования каменного угля. По этой причине себестоимость таких бетонов будет лишь только в некоторых случаях незначительно выше себестоимости обычных строительных бетонных смесей. Конструкции из электротехнических бетонов позволяют:
- отказаться от существующих сложных систем отопления;
- реализовать принципиально новые решения некоторых узлов, обеспечивающих сокращение времени, необходимого для монтажа зданий;
- снизить целый ряд возникающих эксплуатационных расходов, наиболее существенных в условиях холодного климата.

До настоящего времени электротехнические бетоны не получили широкого распространения в системах отопления из-за сложности подбора состава и трудности обеспечения стабильности заданных электрофизических характеристик от изделия к изделию. Это связано с тем, что до сих пор расчёт их электрофизических характеристик осуществляется полуэмпирическими методами, со всеми присущими такому способу недостатками. Именно по этой причине наблюдается значительная дисперсия свойств готовых изделий, что приводит к неравномерности нагрева.

Математическое моделирование структуры и свойств композитных строительных материалов на компьютере позволяет сократить время и затраты на подбор состава, учитывать изменение характеристик и параметров заполнителей и цементного вяжущего и снизить вариации электрофизических свойств готовых изделий.

Задачу математического моделирования при исследовании свойств электротехнических бетонов можно разделить на две самостоятельные задачи:
1. моделирование представительного объема материала с точки зрения получения его концентрационно-структурных характеристик;
2. разработка электрической модели исследуемого материала для анализа электрофизических параметров и характеристик на основании полученной модели структуры.

Для моделирования представительного объема электротехнического бетона его структура представляется в виде модели с "упакованными сферами". Такое представление наиболее легко реализуется программно и, кроме того, от формы частиц мало зависят электрофизические свойства и характеристики композитных многокомпонентных материалов.

Электрическая модель основана на теории "эффективной среды" и теории "просачивания". Рассмотрев в рамках этих теорий зависимость сопротивления электротехнического бетона от концентрации проводящей фазы, можно выделить три зоны:
Концентрация, близкая к нулевым значениям. В этой зоне зависимость проводимости можно рассчитать на основании теории "эффективной среды".

Резкое снижение сопротивления при небольшом изменении концентрации проводящей фазы. Такое поведение описывает теория "просачивания", поскольку частицы проводящей фазы начинают образовывать "бесконечные электропроводящие кластеры". Концентрация проводящей фазы соответствующая этой зоне называется "критической концентрацией" Vккон.
Концентрация, близкая к 100%. В этой зоне проводимость так же подчиняется законам эффективной среды. Но при такой концентрации прочностные свойства материала теряются. Поэтому эта зона не рассматривается.

Резкая зависимость электропроводности электротехнических бетонов от объемной концентрации заполнителя в области критических концентраций и стремление обеспечить наибольшую стабильность ее значений при концентрации углерода близкой к критической, обусловило рассмотрение в качестве рабочего диапазона и объекта исследований область, в которой концентрация проводящей фазы меньше Vккон.

В результате проведённых исследований на математической модели получена зависимость концентрации проводящей фазы от удельной проводимости проводящей фазы (углерод), заданной (эффективной) проводимости образца и от критической концентрации.

Основным фактором, оказывающим влияние на качество получаемого электротехнического бетона и, как следствие, элементов строительных конструкций, является точность соблюдения заданной рецептуры вырабатываемой бетонной смеси.

Математического моделирование показало, что даже незначительные отклонения от заданного значения объёмной концентрации электропроводящей фазы бетонной смеси влекут значительные изменения значения электропроводности и соответствующих характеристик получаемых готовых строительных элементов. В связи с этим, требуется решение задачи максимального повышения точности дозирования компонентов, т.е. соблюдения заданной рецептуры бетонной смеси для максимального качества готовой продукции, её соответствия заданным требованиям и параметрам.