A device for maintaining the working temperature of a cement-sand mixture during the winter season

В зимний период работа с цементно-песчаными смесями (растворами) требует особого подхода. Низкая температура замедляет гидратацию цемента и создает риск замерзания воды в смеси, что негативно сказывается в процессе строительных работ. При преждевременном замерзании воды, цементная смесь бракуется и теряет свою способность использоваться по прямому назначению. Подогрев рабочей смеси и поддержка определенной температуры, предотвращает её деградацию

Одним из способов работы с цементной смесью зимой, является предварительный нагрев компонентов, а именно самого цемента с песком (щебня, при его добавлении) и воды. Как правило нагрев компонентов осуществляется в диапазонах 60...90°C. Такой способ является наиболее распространённым и менее затратным при получении замеса. Также популярны и бетонные противоморозные добавки (ПМД), которые понижают температуру замерзания воды, но они направлены в большей степени, на создание условий, чтобы бетон застывал и набирал прочность уже после заливки. При температуре ниже -15...-20°C заливать бетон не рекомендуется даже с добавками, так как эффективность последних резко снижается.

При проведении зимних строительных работ большое внимание уделяется времени жизни раствора. Под данным термином понимается, что раствор не должен быть в жидком состоянии до его укладки. При низкой температуре это время сокращается, причём, не из-за изменений физико-химических свойств между цементом, песком и водой, а напрямую от температуры замерзания воды, которая равняется 0°C. Таким образом, в данной работе рассматривается и предлагается устройство для нагрева и поддержания заданной температуры раствора, при цикличном его перемешивании

Целью работы являлось создание устройства для подогрева цементного раствора, которое можно интегрировать в стационарные бетоносмесители (рис.1) с малым загрузочным объёмом.

Рисунок 1 - Стационарный бетоносмеситель

DOI:10.60797/mca.2026.72.5.1

Display full sizeDownload image

Необходимо учитывать, что раствор должен постоянно перемешиваться, с этой задачей справляется сам бетоносмеситель

[5]

. Выполнение данной задачи может решаться и самим нагревательным устройством. В данном случае предлагается рабочую поверхность нагревательного устройства сделать в виде спирального шнека

[6]

. При вращении шнека создается дополнительный эффект перемешивания раствора с его одновременным нагревом. Таким образом, данное устройство в дальнейшем, именуется, как шнековый нагреватель (рис.2)

[7]

.

Шнековый нагреватель:

1 - полый стержень; 2 - нагревательный элемент; 3 - шнековый винт; 4 - электродвигатель; 5 - запорное устройство; 6 - клеммы; 7 - кожух

DOI:10.60797/mca.2026.72.5.2

Display full sizeDownload image

Конструктивно устройство включает в себя: шнек, нагревательный элемент встроенный в тело шнека и электродвигатель для вращения.

Устройство состоит из полого стержня 1 в который встроен нагревательный элемент 2 и соединен не жесткой связью со стержнем, на котором в свою очередь жестко закреплен шнековый винт 3. Электродвигатель 4, показанный условно, передает крутящий момент на стержень шнека и соответственно на винт, вследствие чего образуется поступательное движение шнека. Вышеперечисленная конструкция закрепляется на торце запорного устройства 5, которое фиксируется в теле бетоносмесителя. Имеющаяся резьба на запорном устройстве, позволяется вмонтироваться в тело корпуса бетоносмесителя посредством подшипникового узла. Данное решение даёт возможность легкого демонтажа нагревательного устройства, а также образования степени свободы от вращения с корпусом бетоносмесителя. На торце бобышки запорного устройства предусмотрены клеммы 6 и кожух 7 для подачи питания на электродвигатель и нагревательный элемент. Клеммы и кожух могут иметь разный формфактор, в зависимости от силы питающего тока и напряжения.

Для анализа работоспособности шнекового нагревателя необходимо определить такие показатели как объёмную подачу шнекового нагревателя и мощность нагревателя передаваемую с поверхности шнека для нагрева раствора

- Теплообмен с внешней средой отсутствует;

- Раствор вначале нагрева и после не перемешивается между собой;

- Зависимость удельной теплоемкости и плотности от диапазона температур не учитывается;

- Коэффициент теплоотдачи от нагревателя к раствору постоянен;

- Цементный раствор обладает свойством неразрывности (при малой подаче шнекового нагревателя).

Объёмная подача раствора через шнековый нагреватель определяется по следующей формуле.

Где:

D — диаметр шнека, м;

d — диаметр вала шнека, м;

S — шаг между витками шнека, м;

n — частота вращения шнека, об/мин;

k1 — коэффициент заполнения, учитывает и средние вязкостные потери;

k2 — поправочный коэффициент, учитывающий обратное стекание жидкой субстанции.

Мощность нагревателя передаваемая с поверхности шнека для нагрева раствора за один такт определяется следующим выражением.

Где:

a — Коэффициент теплоотдачи от нагревателя раствору, Вт/м²·°C;

F — площадь теплообмена, м;

tw — температура шнека, °C;

tвх — температура раствора вначале нагрева, °C;

Таким образом, после первой итерации температура цементно-песчаного раствора, проходя через нагреватель, повышается и затем, по предложенным зависимостям, по экспоненте будет приближаться к температуре нагревателя. При достижении требуемой температуры раствора, нагреватель отключается.

Основным результатом данной работы, является устройство, предназначенное для подогрев раствора в бетоносмесителе.

Устройство (рис.2) работает следующим образом, когда цементно-песчаная смесь загружается в загрузочный короб бетоносмесителя, она уже может быть подогрета, любым другим способом, так же как и вода или иметь температуру несколько выше отрицательной. Вследствие низкой отрицательной температуры окружающей среды, на нагревательный элемент 2, встроенный в стержень 1 шнека, подается питание. Нагревательный элемент повышает температуру стержня шнека и винта 3. Путем теплопередачи вблизи шнекового нагревателя образуется область нагрева в которой рассматриваемый раствор бетона начинает подогреваться и перемешиваться. Далее при достижении определенной температуры, например 30...50°C, для дополнительной аккумуляции тепла в растворе для нормального рабочего пользования. Параметры, влияющие на нагрев раствора и его дальнейший подогрев, могут определяться опытным путем по времени и интенсивности нагрева. Далее подключается электродвигатель 4, который начинает вращать шнек, что в итоге создает циркуляцию раствора и равномерное распределение температуры по его объему. Со временем область раствора, вследствие прогрева, увеличивается. Запорное устройство 5 служит для фиксации устройства в теле, через тела разрывающие жесткую связь с вращающимися элементами. На бобышке запорного устройства установлен разъем с клеммами 5 и кожухом 6 для закрепления ответной части, на которую подается питание с контроллера на нагревательный элемент и электродвигатель.

Предлагаемое устройство способно упростить выполнение строительных работ на участке, а также предложить определенные преимущества. К таким преимуществам можно отнести борьбу с замерзанием раствора при дополнительном перемешивании. Дополнительное перемешивание раствора поверхностью нагретого винта считается более целесообразным решением, нежели просто перемешивание вращением резервуара бетоносмесителя, со стационарным нагревателем.

Шнековый винт отлично подходит для смешивания цементно-песчаного раствора, в первую очередь из-за имеющейся высокой вязкости у второго. Также в смеси могут присутствовать добавки (щебень, фиброволокно, пластификаторы), которые в процессе перемешивания не смогут навредить винту шнека.

Внедрение предлагаемого устройства в конструкцию бетосмесителя расширяет эксплуатационные границы комплекса в целом. В частности, в направлении работ проводимых в зимний промежуток времени, где низкая температура вносит большое влияние на рабочие характеристики, используемых материалов. Также предлагаемый комплекс возможно использовать в регионах с холодным климатом, где его особенности могут дать преимущество перед другими системами подогрева цементно-песчаной смеси.