Запаривание свежеотформованных изделий

19.07.2019

В большинстве действующих инструктивных документов, относящихся к производству автоклавных материалов, содержится указание об удалении воздуха из автоклава в начальный период запаривания путем продувки его насыщенным паром. В начале запаривания поступающий в автоклав насыщенный пар интенсивно перемешивается с имеющимся там воздухом, а избыток паровоздушной смеси через вентиль удаляется. Поскольку автоклавное пространство, содержащее паровоздушную смесь, сообщается с атмосферой, в этот период в автоклаве фактически создаются условия обычного пропаривания изделий при атмосферном давлении. Такое положение сохраняется до тех пор, пока температура в автоклаве не достигнет примерно 100° С.

Известно, что при нормальном атмосферном давлении температура 100° C возможна только в среде чистого насыщенного пара без примеси воздуха. Влияние парциального давления воздуха на снижение температуры в автоклаве приведено в табл. 10.

Принято считать, что, когда температура в автоклаве достигнет примерно 100° C, воздух почти полностью удален и автоклав заполнен насыщенным паром. Для обеспечения дальнейшего подъема температуры насыщенного водяного пара необходимо создать в автоклаве избыточное давление. Обычно для этого при температуре около 100° C перекрывают все вентили, в том числе и вентиль конденсатопровода, соединяющие пространство автоклава с атмосферой, и за счет дальнейшего поступления насыщенного пара в автоклаве возникает избыточное давление. Дальнейшее запаривание изделий осуществляется в среде насыщенного водяного пара при давлении до 9—13 ат и соответственно температуре 174—191° С.

Возникающее при температуре порядка 100° C избыточное давление играет положительную роль, обжимая бетон. Однако воздействие указанного избыточного давления в конце периода подъема температуры оказывается малоэффективным для формирования структуры бетона и поэтому до настоящего времени не привлекало внимания исследователей. Вследствие этого роль избыточного давления пара и паровоздушной среды в процессе автоклавной обработки оказалась недостаточно изученной. По общепринятому мнению, повышенное давление пара в автоклаве само по себе практически не влияет на реакции гидратации и твердение вяжущих, а выполняет лишь второстепенную роль, обеспечивая при температурах выше 100° C создание насыщенной паровой среды, необходимой для протекания этих реакций.

Однако исследования, проведенные авторами в последние годы в НИИЖВе, показали, что избыточное давление пара и паровоздушной среды при автоклавной обработке свежеотформованных бетонов (без предварительного выдерживания) может иметь большое самостоятельное значение. Выше отмечалось, что кривые деформаций образцов из такого бетона, подвергаемых автоклавной обработке при сравнительно быстром впуске пара при температуре 97—100°С, имеют характерные пики. В то же время при данной температуре обычно перекрывается вентиль конденсатопровода в автоклаве, и в нем создается избыточное давление, которое и обусловливает образование пиков, свидетельствующих о некотором резком сокращении размеров образца.

При кратковременной предварительной выдержке бетона пики имеют различные значения для разных режимов запаривания. Так, при скорости впуска пара 320 град/ч (0,5+4+1 ч) «обратная» деформация составляла 2,5 мм/м, при 160 град/ч (1+4+1 ч) — 1,5 мм/м, при 80 град/ч (2+4+1 ч) — 1 мм/м, а при 40 град/ч и более плавном впуске пара никаких пиков не зафиксировано.

Чем быстрее осуществляется подъем температуры в автоклаве, тем значительнее пики при 97—100° C на кривых деформаций. Это объясняется тем, что при быстром подъеме температуры по режимам 0,5+4+1 ч, 1+4+1 ч и 2+4+1 ч структура бетона к моменту достижения указанных температур (через 15—60 мин после начала запаривания) еще недостаточно окрепла и происходит частичное закрытие трещин, образовавшихся вследствие воздействия на бетон внешнего избыточного давления.

При медленном впуске пара (со скоростью 40 град/ч и менее) температура 97—100° C достигается за 2 ч и более. Бетон также претерпевает значительные структурные изменения (о чем свидетельствуют максимально достигнутые деформации), однако за это время он успевает в достаточной мере затвердеть вследствие интенсификации физико-химических процессов твердения, и возникающее при этой температуре давление уже не в состоянии активно воздействовать на бетон. Из рис. 19 также следует, что чем больше предварительная выдержка, тем выше начальная прочность бетона и тем меньше влияет на его структуру избыточное давление, возникающее при 100° C.

Во всех рассматриваемых случаях давление, возникающее при 97—100° C, имеет положительное значение, равномерно «обжимая» изделие и в определенной мере выполняя роль формы. Однако к моменту возникновения этого давления в бетоне в основном уже завершились деструктивные процессы; дефекты структуры, образовавшиеся на начальной стадии запаривания, оказываются необратимыми, и поэтому воздействие избыточного давления в период дальнейшего подъема температуры после 100° C практически не оказывает влияния на формирование структуры бетона.

В связи с этим возник вопрос о возможности применения избыточного давления на более ранней стадии автоклавного процесса, в самом начале впуска пара в автоклав, т. е. в начальный период твердения бетона. НИИЖБом был предложен способ автоклавной обработки бетонов с созданием избыточного давления паровоздушной среды в начальный период подъема температуры путем полной герметизации автоклава перед пуском насыщенного пара. При этом избыточное давление возникает за счет парциального давления воздуха, имеющегося в автоклаве, и парциального давления поступающего в него насыщенного пара. При впуске пара в герметически закрытый автоклав суммарное давление паровоздушной среды быстро возрастает и при температуре 70° С достигает уже 1,5 ат, при 90° С — 2 ат, а при 100° C — около 2,3 ат.

Нами были проведены эксперименты по выявлению зависимости давления паровоздушной среды, возникающего в лабораторном автоклаве (емкостью 600 л), от скорости подъема температуры. В задачу входило установление этой зависимости применительно к скоростям впуска пара от 450 до 20 град/ч. Исследования проводились при полной предварительной герметизации автоклава и при запаривании по обычному способу (с удалением воздуха в начальный период подъема температуры до 100° С).

На рис. 26 приведена зависимость возникающего в герметически закрытом автоклаве давления, замеренного образцовым манометром, от скорости подъема температуры, замеренной с помощью медь-константановых термопар, выведенных из автоклава через штуцер. При двухчасовом подъеме давления до 9 ат и одноразовом открытии паровпускного вентиля через 5 мин после начала запаривания в автоклаве возникает давление среды, равное 1,3 ат, а при подъеме давления до 9 ат за 20 мин давление среды, равное 1,8 ат, возникает практически через 2 мин после начала подъема температуры. Аналогичные зависимости были получены нами и в производственных условиях Московского ЖБК № 2 в Москве.

На рис. 27 приведена зависимость возникающего в автоклаве давления среды от скорости подъема температуры при обычном режиме запаривания, когда герметизация автоклава осуществлялась при температуре порядка 100° С. Из рисунка следует, что при скоростях впуска пара в автоклав до 100 град/ч (кривые 4 и 5) избыточное давление возникает только тогда, когда температура среды достигает 100° C и перекрываются вентили, соединяющие пространство автоклава с атмосферой. Если скорость впуска пара выше 120—150 град/ч, избыточное давление возникает до достижения средой t = 100° C. При этом чем быстрее производится впуск пара в автоклав, тем раньше возникает избыточное давление и тем значительней оно по абсолютной величине.

Так, при скорости впуска пара порядка 200 град/ч (кривая 1) избыточное давление возникло в автоклаве через 15 мин, когда температура среды составляла примерно 90° С, а спустя 5 мин его абсолютная величина уже составляла около 1,2 ат. При скорости подъема температуры порядка 400 град/ч (кривая 3) избыточное давление в автоклаве возникает через 7 мин и очень быстро растет, достигая через 15 мин после начала запаривания 1,7 ат.

Однако полученная нами зависимость носит частный характер, и величина возникающего избыточного давления в разгерметизированном автоклаве определяется его конструктивными особенностями (объемом, диаметром трубопроводов, давлением в паропроводах и т. д.), а также коэффициентом его загрузки.

Свойства насыщенного водяного пара, в том числе парциальное давление его при разных температурах, известны по справочным данным, а величину парциального давления воздуха можно оценить по закону Гей-Люссака для изохорического процесса, считая, что его количество в автоклаве остается постоянным при условии соответствующей герметизации сосуда:

где аp — температурный коэффициент объемного расширения газов, равный при постоянном давлении 1/273;

P1 — атмосферное давление воздуха до запаривания при начальной температуре t1;

P2 — искомое парциальное давление воздуха при температуре t2.

На рис. 28 приведены вычисленные по формуле (1) зависимости парциального давления воздуха в автоклаве от температуры парового пространства при различных температурах воздуха во время начала запаривания.

Как следует из данного графика, по мере снижения начальной температуры воздуха перед закрытием автоклава его парциальное давление при одной и той же температуре запаривания возрастает. Так, при исходной температуре воздуха около 60° С в момент максимальной температуры изотермического прогрева при 9 ат 174,5° С парциальное давление его составляло примерно 1,34 ат, в то время как при исходной температуре воздуха 20°С оно составляло примерно 1,53 ат. Таким образом, 1,3—1,6 ат — предельная величина давления воздуха в автоклаве при максимальной температуре запаривания 174° С.
Запаривание свежеотформованных изделий

Приведенные на графике (рис. 28) расчетные данные по величинам парциального давления воздуха были экспериментально проверены И.А. Хинтом с помощью специальной установки в лабораторном автоклаве. Результаты этой проверки показали хорошее совпадение непосредственно измеренных значений парциального давления воздуха с расчетными, полученными по формуле.

Отсутствие точных и надежных измерений фактических величин внутреннего избыточного давления в порах твердеющего бетона породило разногласия у исследователей, главным образом в вопросах кинетики изменения этого давления при температурах среды свыше 100° C.

Так, К.Ф. Ломунов и А.И. Мочалов считают, что, несмотря на начальное обжатие изделий паровоздушной средой, в бетоне при дальнейшем повышении температуры все равно возникает внутреннее избыточное давление. Величина его зависит от скорости прогрева бетона, характера и размеров его пор, водосодержания бетона, а также от массивности изделий.

Л.А. Семенов придерживается иной точки зрения, полагая, что никакого избыточного давления в твердеющем бетоне в последующем не возникает, а следовательно, структура материала не нарушится.

Вопрос о кинетике внутреннего избыточного давления в бетоне при температурах среды свыше 100° C требует дальнейших исследований. Наши опыты показывают, что даже если в последующем это давление возникнет, то его воспримет уже в какой-то мере упрочненная структура бетона.

Таким образом, при запаривании изделий с созданием избыточного давления паровоздушной среды в начальный период подъема температуры гидратация и твердение вяжущих протекает при оптимальных температурно-влажностных условиях, а формирование структуры свежеизготовленного бетона — в благоприятных условиях постоянно действующего внешнего давления, обжимающего бетон на ранней стадии твердения и ограничивающего его свободное расширение. Чтобы создать аналогичные условия при тепловлажностной обработке бетонов, обычно пользуются такими способами, как применение жестких форм, специальных пригрузов и т. д.

С. Рейнсдорф в генеральном докладе на конференции РИЛЕМ (Москва, 1964 г.) писал: «Для получения оптимальных результатов необходимо свежую бетонную смесь подвергнуть обжатию и противодействовать изменению ее формы в процессе пропаривания. Обжатие может быть искусственно достигнуто при помощи пригруза или же естественным путем, если способный к расширению бетон поместить в замкнутую, недеформирующуюся форму».

Показано, что в процессе пропаривания при атмосферном давлении механическое давление на твердеющий бетон независимо от того, каким путем оно создается (дополнительная нагрузка, применение специальных форм и т.п.), весьма благоприятно влияет на формирование структуры бетона. Так, избыточное давление на бетон порядка 50—100 Г/см2 позволяет в 1,5—2 раза повысить его прочность при сокращенном цикле тепловлажностной обработки. Дальнейшее увеличение степени обжатия бетона практического значения не имеет. Однако подобные мероприятия, бесспорно, улучшающие качество изделий, в то же время требуют значительных дополнительных средств; при этом существенно усложняется технология производства и повышается стоимость продукции.

Экспериментальная проверка роли избыточного давления паровоздушной среды при запаривании изделий позволила выявить оптимальные технологические параметры применения способа, предложенного НИИЖБом.

Исследования показали, что наиболее четко роль избыточного давления проявляется при запаривании свежеизготовленных изделий. В связи с этим изучение влияния давления среды на деформации бетона при автоклавной обработке (по режиму 2+4+1 ч при 9 ат) проводилось на образцах с двухчасовой выдержкой перед запариванием.

Результаты исследований, приведенные на рис. 29 и в табл. 11, показывают, что избыточное давление паровоздушной среды в герметически закрытом автоклаве резко изменяет картину деформаций образцов в процессе запаривания и их прочностные показатели.

Наибольший интерес при анализе результатов представляют кривые 1 и 2 деформаций образцов, запаренных в предварительно герметизированном автоклаве. В момент пуска пара в автоклав возникает избыточное давление паровоздушной среды, которое обусловливает довольно значительное первоначальное сокращение размеров этих образцов на 2—2,5 мм/м. С момента пуска пара бетон находится в благоприятных условиях внешнего обжатия, которое препятствует его свободному расширению. Вследствие воздействия избыточного давления на формирующуюся структуру материала на ранней стадии его твердения, прочность такого бетона (табл. 11) по сравнению с прочностью бетона после запаривания по обычному режиму была примерно в 3,5 раза выше, при этом никаких трещин на образце 57 не было обнаружено (рис. 30).

Таким образом, установлено, что давление среды в автоклаве оказывает существенное влияние на формирование структуры бетона. Стоит в период подъема температуры резко снизить это давление, например внезапно нарушив герметизацию автоклава, как тут же начинают бурно развиваться деструктивные процессы, приводящие к ухудшению физико-механических свойств бетона.

При запаривании образца 62 (кривая 5) первоначально перекрытый вентиль конденсатопровода был полностью открыт при температуре 60° С. Кривая деформаций этого образца имеет при данной температуре резкий скачок; в бетоне образовались трещины (рис. 30), а прочность оказалась низкой.

Такое внезапное разрушение структуры бетона объясняется следующим. В начале запаривания, когда воздух из автоклава не был удален, избыточное давление среды превышало внутреннее давление, возникшее в материале при его нагревании. При 60° С поверхностные и частично внутренние слои образца уже в какой-то мере прогрелись (с момента начала запаривания прошло примерно 30 мин). По показаниям термопар зона образца, расположенная на глубине 25 мм от поверхности, прогрелась до 45° С.

Еще не окрепшая структура материала практически не нарушалась до тех пор, пока не был открыт вентиль при 60° С. В этот момент произошел внезапный сброс внешнего давления до атмосферного, а внутреннее, теперь уже избыточное давление разрушило еще не затвердевший материал. Отмеченный выше скачок произошел почти мгновенно, в течение 3—5 сек. Наоборот, создание избыточного давления паровоздушной среды при температуре до 100° C путем закрытия вентиля предотвращает рост деформаций образцов и существенно повышает их прочность.

Так, при запаривании образца 60 вентиль конденсатопровода был перекрыт при температуре 50° С, и в этот же момент резко изменился характер деформаций (см. табл. 11). Аналогичная картина наблюдалась и у образца 61, при запаривании которого избыточное давление было создано при 75° С. Прочность образцов 60 и 61 была значительно выше, чем образца 56, запаренного по обычному режиму, а количество трещин — намного меньше. При этом рисунок трещин у образцов 60 и 61 почти точно соответствовал образцу 56, но у образца 61 они были гораздо меньше, а на образце 60 виднелись лишь следы волосных зачаточных трещин (см. рис. 30).

Возникшее давление при 50 и 75°С обжало образцы; однако если в первом случае это воздействие еще имело какой-то смысл, поскольку совпало по времени с протеканием основных деструктивных процессов, то во втором случае оно было почти бесполезным с точки зрения воздействия на структуру бетона, ибо к моменту его возникновения деструктивные процессы уже в значительной мере завершились.

Таким образом, подтверждается положение, что воздействие избыточного давления среды наиболее целесообразно на самой начальной стадии автоклавной обработки — во время пуска пара. Чем позже оно возникнет в автоклаве, тем в большей степени будет нарушена структура бетона.

Как следует из табл. 11, у образцов 57 и 58 максимальные деформации расширения после начального обжатия составляют примерно 2,5—2,9 мм/м. Такими максимальными деформациями в процессе запаривания характеризуются бетоны с практически не нарушенной структурой, т. е. материалы, достигшие к моменту запаривания начальной критической прочности благодаря выдерживанию их в течение 12—14 ч в помещении с комнатной температурой.

Предварительная выдержка образцов 57 и 58 длилась всего 2 ч, создание же избыточного давления паровоздушной среды в начале запаривания позволило при этом получить бетоны, почти не отличающиеся от тех, которые к началу автоклавной обработки достигли критической прочности. Таким образом, при применении предложенного способа отпадает необходимость в предварительном выдерживании бетона, а следовательно, в дополнительных производственных площадях, и в значительной степени упрощается производство изделий.

Необходимо отметить, что возможность создания избыточного давления среды в начальный период подъема температуры является значительным премуществом автоклава по сравнению с пропарочными камерами. Рассмотренные режимы весьма эффективны и при тепловой обработке бетона с нагревом среды до 100° С, так как позволяют отказаться от предварительного выдерживания, быстро поднимать температуру в камере и сокращать общий цикл тепловой обработки, не опасаясь возникновения дефектов структуры и снижения прочности бетона по сравнению с бетонами нормального твердения.

Однако при использовании автоклава для этого необходимо лишь своевременно закрыть вентили, соединяющие его пространство с атмосферой, а для осуществления такого режима при тепловой обработке с нагревом до 100° C необходимы тепловые установки, позволяющие создать в них избыточное давление среды до 0,5—1 ат.

Для дополнительной проверки влияния давления паровоздушной среды на формирование структуры бетона нами был проведен следующий эксперимент. Образец из керамзитобетона состава 1:1,71:1,43 при В/Ц=0,7 после двухчасовой предварительной выдержки помещали в автоклав, пространство которого было соединено с компрессором посредством штуцера. Предварительно автоклав полностью герметизировали. После установки образца в прибор и закрытия крышки автоклава в него от компрессора подавали сжатый воздух с повышением давления 0,2 ат в минуту. Одновременно фиксировали деформации образца и давление в автоклаве. Приведенная на рис. 31 кривая деформаций показывает, что максимальное сокращение размеров образца при внешнем обжатии, происходившее в первый момент, составляло 2—2,5 мм/м и имело место при давлении сжатого воздуха 2,5 ат. Дальнейшее увеличение давления практически не изменяло величин достигнутых деформаций сжатия. При спуске давления до атмосферного наблюдался почти полный возврат размеров образца к первоначальным. Этот опыт показал, что причиной деформаций сжатия при запаривании бетона без удаления воздуха из автоклава является избыточное давление паровоздушной среды, возникающее практически в начальный момент тепловой обработки. Обжатие бетонного образца при этом обусловливается наличием в его порах воздуха, благодаря чему образец становится упруго сжимаемым.

Ржепецки исследовал влияние воздействия сжатого воздуха (давлением 2,5—4 ат) при нормальном твердении бетона на его прочность и плотность (водонепроницаемость) и пришел к выводу, что выдерживание твердеющего бетона в среде сжатого воздуха под давлением около 3 ат значительно повышает его плотность «вследствие уменьшения объема воздушных пор в свежеотформованном бетоне».

Н. Людвиг и С. Пенс, изучавшие влияние избыточного давления среды (от атмосферного до 525 ат) на физические свойства цементного камня, твердевшего при температурах до 100° C, установили, что повышение давления среды до 21 ат существенно увеличивает удельную поверхность продуктов гидратации, а также предел прочности цементного камня при сжатии. К сожалению, в этих исследованиях первая ступень избыточного давления составляла 21 ат, а низкие давления, встречающиеся в практике заводского производства бетонных изделий, авторы оставили без внимания. Указанное увеличение прочности авторы связывают главным образом с уплотнением структуры образцов, содержащих значительное количество пор. Тем не менее Н. Людвиг и С. Пенс считают, что воздействие избыточного давления на твердеющий цементный камень повышает также скорость гидратации цемента (особенно начальных реакций в первые 2—8 ч твердения).


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна