Теплообмен в ячеистом бетоне и эффективные режимы автоклавной обработки изделий —
Основную часть цикла автоклавной обработки на большинстве предприятии занимает нагрев изделий, продолжительность которого значительно превышает сроки твердения бетона. Так, например, панель толщиной 24 см прогревается в течение 7 ч после того, как в автоклаве установится максимальная температура (1175—1131°С), а твердение бетона на кварцевом песке при этой температуре завершается за 3-—5 ч. Нагрев же массивов в ряде случаев (например, при горизонтальной разрезке) оказывается настолько длительным (45—20 ч), что ставит под сомнение целесообразность их изготовления. Поэтому изыскание путей интенсификации нагрева изделий из ячеистого бетона необходимо не только для сокращения цикла автоклавной обработки, но и для успешного внедрения прогрессивной резательной технологии.
Возможность интенсивного нагрева изделий из ячеистого бетона была установлена в НИИ строительства Госстроя ЗССР. Работой института показано, что при продувке автоклава в течение 3—4 ч и начальной температуре бетона близкой к 100°С, температурные перепады в изделиях после подъема давления в автоклаве незначительные и температура бетона по всему сечению изделий приближается к температуре среды. Авторы считают, что при удалении воздуха из автоклава резко возрастает скорость передачи тепла от среды к изделиям, а прорези в них становятся паропр-оница- е.мымп, вследствие чего и происходит интенсификация нагрева изделий. Однако такие условия из-за высокой начальной температуры изделий могут быть реализованы и редких случаях (главным образом при двухстадийной обработке), а объяснение причин интенсивного нагрева нельзя признать -обоснованным.
Проводившиеся во ВНИИСтроме исследования автоклавной обработки показали, что передача тепла от среды к изделию происходит путем конденсации пара либо только на наружной, либо — при наличии определенных условий — также и на внутренней поверхности бетона (поверхности пор).
В первом случае внутренний теплообмен совершается в результате молекулярного переноса тепла, т. е. за счет теплопроводности и обусловлен молекулярно-кинетическими процессами в нагреваемом материале Движущей силой этих процессов является перепад температуры между поверхностью и нейтральной зоной изделия. Внешний теплообмен идет значительно интенсивнее внутреннего и не нагрев изделий. Действительно, даже если средой является паровоздушная смесь и коэффициент теплоотдачи а имеет минимальное значение, равное 2000 ккал/м ч °С, то для панели толщиной 4R = 24 см при Г=-1,7> ккал/м-ч.
Во втором случае теплообмен происходит в результате молярного тепломассопереноса — инфильтрации пара в поры бетона и его последующей конденсации. Нагревание изделий обусловлено гидродинамическими процессами, протекающими в материале, т. е. оно также не лимитируется теплообменом между средой и наружной поверхностью изделий. Движущей силой тут является перепад общего давления между средой и внутренними слоями изделий. Молярным тепломассапереносом обеспечивается интенсивный нагрев изделий при минимальных перепадах температуры.
Молекулярный и молярный механизмы нагрева в «чистом» виде происходят редко. В подавляющем большинстве случаев вызываемые ими тепловые потоки накладываются один на другой и в зависимости от существующих условий один из них преобладает, или- соизмерим с другим. Поэтому, когда говорится о молекулярном или молярном переносе. то имеется в виду, что он является доминирующим, а второй поток по сравнению с ним весьма мал и может не учитываться; при соизмеримых потоках речь идет о смешанном тепломаесопере- носе.
Молекулярный механизм нагрева преобладает при относительно низкой начальной температуре бетона. В «чистом» виде он имеет место при температуре бетона примерно до 40°С и достаточно герметичном автоклаве, из которого воздух во время обработки изделий практически не удаляется. Проведенные в этих условиях опыты по определению эффективного коэффициента температуропроводности показали, -что при у-:80б кг/м он составляет 0,002 м21ч и практически не изменяется во всем интервале температур автоклавной обработки. Это свидетельствует о том, что при создании в автоклаве избыточного давления сколько-нибудь существенного молярного тепломассопереноса в бетоне нет.
На практике чаще всего используются режимы со смешанным тепломассопереносом. Наложением молярного переноса на молекулярный объясняется, по нашему мнению, отмеченным в работе С. А. Миронова с сотрудниками увеличением коэффициента температуропроводности при повышении давления, а также установленный А. Д. Дмитрови чем факт различной интенсивности лат- рева с открытой и закрытой сторон изделий. Для расчетов -при смешанном переносе значение а может быть, принято (для у 700—600 кг/м)
Как показали исследования, молярный тепломассоперенос в бетоне протекает при давлении среды в автоклаве выше атмосферного, если к началу повышения давления выполнены следующие условия: а—среда в автоклаве практически представляет собой насыщенный водяной пар, б —температура и центральной -зоне изделий 65—70°С или выше.
Отсутствие необходимых экспериментальных данных не позволяет пока достаточно ясно выявить роль каждого из установленных условий в образовании градиента общего давления и вызываемого им молярного переноса. Однако очевидно, что при сохранении воздуха в автоклаве происходит его нагнетание в поры бетона, куда он поступает вместе с паром и не конденсируется. Его парциальное давление становится выше, чем в среде, и перепад общего давления между средой и изделием быстро снижается до нуля. Инфильтрация теплоносителя в изделие (.молярный перенос) становится невозможной.
На рисунке приведены данные опытов по автоклавной обработке неразрезанных массивов размером 600X150X60 см и различных условиях. Массивы объемной массой 640—660 кг/м3 изготовлены из извести и кварцевого песка, автоклавная обработка велась при давлении 10 кгс/см2.
Как видно из графиков, при выполнении условий о и б нагрев изделия протекает весьма интенсивно и завершается практически к моменту достижения максимальной температуры среды в автоклаве (кривые 1 и 2). Градиент температуры по сечению изделия незначителен. Если одно из условий не выполняется, нагревание изделий протекает медленно (кривые 4 и 5) при значительном градиенте температуры -по сечению (кривые / и 4 или 1 и 5) Твердение бетона в первом случае происходит значительно быстрее, чем во втором, и, как это следует из стабилизации его электрического сопротивления, завершается соответственно через 4,5 (точка «Л» на кривой 3) и 47 ч (точка «В» на кривом >) после начала изотермического периода.
Физико-технические свойства бетона этих массивов показаны в табл. 1.
Аналогичные результаты получены на газозолосиликатном цементном газобетоне.
Характерной и очень важной особенностью молярного теплоомассопереносом является то, что он протекает IB изделиях любой толщины и сроки нагрева практически не зависят от нее. Так, нагрев массивов -высотой 1,3 и 1,8 м, запаренных в формах, заканчивается при этом также одновременно с окончанием подъема температуры среды.
На основании полученных (результатов ВНИИСтромом предложен новый способ гидротермальной обработки изделий из ячеистого бетона (а-втррское свидетельство № 309597). Осуществление данного способа и обеспечение условий протекания молярного переноса тепла не вызывает затруднений. В большинстве случаев изделия, приготовленные на смешанном вяжущем, перед загрузкой и автоклав имеют в центральной зоне требуемую температуру 65—70°С. При этом во время подъема температуры среды до 102— I0.TC достаточно произнести продувку автоклава для удаления из него воздуха. Производить иродхвкх и течение нескольких часов, как это рекомендовалось ранее, нет необходимости. Отсутствие воздуха в автоклаве устанавливается сопоставленном температуры и давления среды — последнее практически не должно превышать давления насыщенного водяного пара при указанной температуре (4,2 кгс/см-).
Гели же начальная температура изделий в центральной зоне ниже 65—70-45. то продул ка продолжается до достижения указанной температуры. Необходимое для этого время указано в табл. 2.
Анализируя результаты, нельзя не отметить, что в отдельных случаях допускается недостаточно обоснованная оценка в частности, ее влияния на физико-механические свойства бетона и процесс теплообмена. Существует, например, мнение, что продувка автоклава вызывает образование дефектов в изделиях и снижение прочности бетона. Приведенные выше данные о физико-механических свойствах бетона массивов, изготовленных на известково-кремнеземистом вяжущем и подвергнутых обработке с продувкой и без нее, а также ранее выполненные авторами Исследования на мелких блоках и заводские испытания показали, что удаление воздуха из автоклава-показывает отрицательных последствий.
Нельзя также согласиться с объяснением причин интенсификации нагрева, который происходит якобы вследствие возрастания скорости передачи от среды к изделиям и парапроницаемости гарорезерв в результате удаления воздуха из автоклава. В действительности увеличивается количество переданного изделию тепла за счет вовлечения в теплообмен поверхности пор бетона. Время нагрева изделий при этом равно продолжительности периода повышения температуры среды. Паропроницаемость прорезей не имеет существенного значения при молярном переносе и ни в коси мере не обусловливает его протекание. Опыты показали, что нагрев неразрезанных массивов происходит также интенсивно, как и разрезанных.
При режимах е молярным механизмом тепломассопереноса изделия вследствие инфильтрации в них пара имеют несколько повышенную влажность. Исходя из теплового баланса можно было ожидать, что она будет примерно на 6% выше, чем при режимах с молекулярным механизмом переноса Однако фактическое повышение влажности составляет лишь 2—3%. так как при обычных режимах также происходит некоторое увлажнение изделий из-за конденсации пара на поверхности и всасывания конденсата бетоном.
В табл. 3 приведены данные о продолжительности цикла, необходимого для завершения твердения бетона на кварцевом песке при различных способах автоклавной обработки.
Из таблицы видно, что рекомендуемые режимы наиболее короткие и позволяют сократить продолжительность автоклавной обработки панелей на 2— 5 ч, а горизонтально разрезанных массивов на 6—14 ч.
Сокращение цикла автоклавной обработки способствует повышению производительности предприятий и за счет уменьшения удельных условно-постоянных расходов приводит к снижению себестоимости изделий. Так, например, при сокращении на одном из заводов продолжительности автоклавной обработки на 3 ч -мощность завода увеличилась на 12%, а себестоимость изделии уменьшилась на 0,63 руб. в расчете на 1 м3.