ТВО бетона при избыточном по сравнению с атмосферным, давлением. Автоклав

Исследования показали, что избыточное давление в период твердения бетона оказывает большое влияние на его строение и прочность. Прочность бетона, прогреваемого в формах под давлением 0,25 МПа, выше, чем в закрытых формах в 1,5 раза.

Механическое обжатие бетона 0,005-0,01 МПа позволяет сократить цикл ТВО и увеличить прочность ,даже жесткие металлические формы способны противостоять температурные и влажностные расширения бетона, улучшая его механические показатели, поэтому наблюдается тенденция использования избыточного давления в период ТВО ,не только для получения силикатных и легких бетонов, но и для ТВО тяжелого бетона.

Если любой бетон поместить в герметичную установку, и провести ТВО паром, то в нем, как и при ТВО в установках с атмосферным давлением, будет идти процессы тепло- и массо- обмена.

Возьмем полностью герметичную установку 1,поместим в нее изделие 2 в стальной форме.

Рис 1.Система герметичной установки автоклава

Установим оборудование подачи пара 3,систему отвода конденсата 4,систему вакуумирования 5,вентиль на системе 6,и предохранительный клапан 7,защищающий2 установку от развития в ней сверхдопустимого давления.

В такую установку можно, закрывая вентиль на системе отбора воздуха, подать пар по системе 3 необходимое избыточное давление 1-1,2 МПа, тогда пар будет поступать в установку в которой уже находится воздух ,общее давление Р_у начнет возрастать. В любой момент она будет складываться из парциального давления пара Р^’_п и парциального давления воздуха Р_в^’,в соответствии с ростом давления в установке будет увеличиваться и температура ,т.к. температура пара внутри установки для данного случая представляет собой функцию его парциального давления t_п=f(Р^’_п).Пар конденсируется на материале ,отдает теплоту материалу ,нагревая открытую поверхность и создает пленку конденсата ,одновременно нагревается и форма.

Рассмотрим этот процесс на неограниченной пластине с координатами Х и Y.

Поверхность материала будет нагреваться несколько больше чем днище формы и температурное поле в пластине распространится по неравнобочной гиперболе, если его отложить на оси У в выбранном масштабе. Из-за неравномерности температурного поля ∆Т₁ и ∆Т₂ вызывающие частные потоки массы q_mt1 и q_mt2 в следствии термообработки.

Материал увлажняется под действием частного потока массы q_mt1 от пленки конденсата ,толщиной δ ,а у днища формы влага передвигается к центру изделия за счет частного потока массы q_mt2 , в результате поле влагосодержания U принимает характер восходящей параболы из-за образовавшегося градиента влагосодержания ∆U возникает частный поток массы q_mv.

Если рассмотреть поле температур и влагосодержания по сечению пластины и сравнить с процессом нагрева в открытой форме, помещенной в установку с атмосферным давлением, то можно заметить их идентичность .Однако ,в силу увеличения разности температур в установке, с давлением 1-1,2 МПа, свежезагруженной материалов и паро-воздушкой смесью, перепады температур и влагосодержания значительно выше. Следовательно в изделии, вследствие увеличения периодов температур и влагосодержания при температурном расширении слоев и при набухании слоев из-за увеличения перепада влагосодержания возникает идентичное по форме, но значительно большее напряженное состояние. Однако, в рассмотренной установке на открытую поверхность бетона действует избыточное давление, которое вместе со стенками и днищем формы ,обжимает бетон в процессе нагрева и позволяет получить лучшую структуру и повысить качество изделий.

Рис 2.Схема распределения темпартур,влагосодержания и давления для периода нагрева в установке с избыточным давлением по сравнению с атмосферным

1-материал,2-днище формы,3-пленка конденсата толщиной δ

U,T,P-кривые распределения влагосодержания,температур и давления соответственно

∆U,∆T,∆P-направление векторов градиентов

q_mt,q_mv,q_mp-частные потоки массы

Рассмотрим воздействие избыточного давления, образующегося внутри материала ,на внутренний тепло- и массо-обмен. По указанной ранее причине в материале возникает избыточное давление ,пропорциональное температуре материала в каждой точке поперечного сечения. Если при атмосферном давлении в установке, это давление на поверхности релаксировалось,т о в данном случае с поверхности на материал и через неплотности в днище будет действовать значительно большее избыточное давление чем внутри материала, поэтому релаксации не будет, а скорее наоборот, давление в материале будет несколько выше чем в процессе нагрева ,поэтому считается что кривая Р будет аналогом кривой Т, соответственно ∆Р₁ и ∆Р₂ обуславливают возникновение частных потоков массы q_mp1 и q_mp2 направленных к центру изделий.

Сравнивая сумму частных потоков массы можно отметить, что в установке работающей с избыточным давлением у днища формы бетон должен характеризоваться меньшим влагосодержанием, чем в установке работающей при атмосферном давлении.

Обработанный бетон при избыточном давлении имеет лучшую структуру и более высокие прочностные показатели.

Избыточное давление компенсирует нарушения структуры, возникающие из-за большой неравномерности влагосодержания.

Для повышения температуры и коэффициента теплоотдачи к материалу в установке, работающей на избыточном давлении, применяют вакуумирование или продувку. и тот и другой методы рассчитаны на удаление воздуха и получения среды чистого пара.В этом случае достигается более высокая температура и больший коэффициент теплоотдачи к материалу при одном и том же давлении.

Процесс вакуумирования выглядит так: после загрузки, установку герметизируют и включают вакуум-насос, вакуумирует воздух до достижения 70-75% полного вакуума в течении 10-15 мин.При этом кроме воздуха из установки, удаляется и часть воздуха из бетона, что позволяет получать изделия с более плотной структурой, подача пара с парциальным давлением, позволяет обжать бетон, и также улучшить его прочностные показатели.

Продувка установки выглядит так: после загрузки установку не герметизируют, оставляют открытой дверь или гидравлический затвор,

Начинают подавать пар, который смешивается с воздухом, образуя паро-воздушную смесь. Свежие порции пара постепенно вытесняют ее и температура в определенный момент при атмосферном давлении достигает 100^оС.После этого установку полностью герметизируют, подача пара продолжается и достигает заданного значения.

Продувка позволяет увеличить температуру больше чем вакуумирование, т .к. из установки удаляется весь воздух, однако, длится она 1-2 ч при нагреве до 100^оС именно тогда когда бетон нуждается в обжатии.

Во время изотермической выдержки, вследствие уравнивания температурного поля и поля влагосодержания, происходит ослабление напряженного состояния при охлаждении из автоклава сбрасывается пар, давление падает температура снижается. Понижение температуры приводит к охлаждению материала, сопровождающегося испарением влаги.

В материале возникают перепады ∆Т и ∆U,а по мере приближения давления к атмосферном возникает ∆Р.Эти градиенты вызывают частные потоки массы, направленные к поверхности аналогичны процессу в камере, где ТВО ведется насыщенным паром.

Таким образом тепло- и массо-обмен,а также возникающие напряженные состояния при обработке паром в автоклаве,близки по физической сущности к процессам проходящим в пропарочной камере при ТВО.