Распределение температур в бетонных изделиях

19.07.2019

Для обоснованного назначения режимов автоклавной обработки бетонных изделий различной толщины и объемного веса необходимо знать распределение температур по их сечению в зависимости от интенсивности подъема температуры и давления пара в автоклаве. Имея данные по распределению температур, можно установить продолжительность изотермической выдержки с учетом времени, необходимого для полного прогрева изделия, а также времени, необходимого для взаимодействия вяжущего с кремнеземистым компонентом, обеспечивающего максимальную прочность изделия по всему сечению.

Среди работ, посвященных распределению температур в изделиях из тяжелого бетона, подвергаемых пропариванию, наибольший интерес представляют исследования Л.А. Кайсера, Н.Б. Марьямова и Л.И. Панфиловой. Для расчета распределения температур в плоских плитах ими было использовано известное дифференциальное уравнение Фурье, при этом учитывалось также тепловыделение при гидратации портландцемента в период разогрева. Анализ полученных данных (рис. 38 и 39) показал, что на скорость прогрева и величину температурных перепадов существенно влияют толщина изделия и интенсивность подъема температуры. Максимальные температурные перепады в 60—70° С возникают в бетонных изделиях толщиной 0,4 м при скорости подъема температуры в пропарочной камере до 90—100° C за 1,5—2 ч. С уменьшением толщины изделия до 0,2 м величина максимальных температурных перепадов снижается до 40° С, а в изделиях толщиной 0,1 м — до 10—15° С.

Расчет распределения температур, предложенный Л.А. Кайсером, Н.Б. Марьямовым и Л.И. Панфиловой, может быть использован для бетонов, в которых коэффициент теплопроводности незначительно меняется с изменением температуры в указанном интервале. Для ячеистых бетонов, имеющих высокую пористость, этот метод не может быть использован, так как их коэффициент теплопроводности при 100° C в 2—3 раза выше, чем при 20° С.

К.Э. Горяйнов и Т.Т. Троцко изучали распределение температур в образцах из силикатного бетона, керамзитобетона и крупнопористого бетона. Ими было установлено, что на ускорение прогрева и величину температурных перепадов влияют не только размеры образцов, интенсивность подъема температуры и давления пара, но также и структура бетона.

Результаты опытов, проведенных Л.А. Малининой и Е.Н. Maлинским по определению скорости прогрева образцов размером 30х30х30 мм из керамзитобетона в форме и без нее, показали, что в обоих случаях полный прогрев до максимальной температуры наступает через 6,5 ч после начала запаривания. Заметного различия в скорости прогрева и величине возникающих температурных перепадов не наблюдается.
Распределение температур в бетонных изделиях

Применительно к автоклавным ячеистым бетонам К.Э. Горяйнов и И.Б. Заседателев проводили исследования по распределению температур и теплообмену между средой автоклава и запариваемым изделием. Ими было предложено весь цикл запаривания разделить на пять стадий.

Первая стадия — прогрев изделий до температуры 100°С; на этой стадии вследствие наличия воздуха в автоклаве теплообмен изделий со средой затруднен, а коэффициент теплоотдачи паровоздушной смеси колеблется в пределах 40—600 ккал/м2*ч*°С. Это приводит к замедленному прогреву изделий, в связи с чем авторы рекомендуют по возможности сокращать продолжительность этой стадии. Для повышения интенсивности теплообмена изделий со средой в этот период целесообразно применять вакуумирование или продувку автоклава. В результате удается значительно повысить коэффициент теплообмена и тем самым ускорить прогрев изделия.

Вторая стадия — прогрев изделий при температуре выше 100°С. В этих условиях внешний теплообмен характеризуется высокими значениями коэффициента теплоотдачи, достигающими 3000—5000 ккал/м2*ч*°С. Благодаря этому температура поверхности изделий быстро повышается и незначительно отличается от температуры среды автоклава.

Третья стадия характеризуется постоянством давления и температуры среды. В этот период заканчивается прогрев изделий на всю толщину и наступает равенство температур среды и изделия.

Четвертая стадия — снижение давления пара в автоклаве до 1 ат. При этом влага, заполняющая поры бетона, оказывается перегретой и вскипает по всему объему изделия. Это относится как к влаге, находящейся в порах материала, так и к конденсату, заполняющему часть автоклава. В результате интенсивного испарения влаги температура бетона снижается без существенных температурных перепадов.

Пятая стадия — остывание бетона при нормальном давлении, происходящее в результате конвективной теплоотдачи, осложненной испарением влаги из материала.

Ввиду малой, величины коэффициента теплообмена а = 20—60 ккал/м2*ч*°С, остывание бетона на этой стадии происходит очень медленно, и в изделиях возникают значительные температурные перепады. Для интенсификации теплообмена па этой стадии необходимо применять вакуумирование автоклава.

Следует иметь в виду, что температурные границы отдельных стадий запаривания, установленные в зависимости от особенностей теплофизических процессов, не являются постоянными. Это относится прежде всего к первой стадии запаривания, которая характеризуется периодом подъема температуры в автоклаве до 100° C и значениями коэффициента теплообмена от 40 до 600 ккал/м2*ч*°С.

Если на этой стадии применять вакуумирование автоклава и продувку его с целью более полного удаления воздуха, то, по данным И.Б. Заседателева, коэффициент теплообмена возрастает до 1080 ккал/м2*ч*°С. Таким образом, уже на первой стадии запаривания, т. е. до достижения в автоклаве 100° С, паровоздушная среда обладает теплофизическими свойствами, присущими среде с температурой выше 100° С.

К.Э. Горяйновым и И.Б. Заседателевым был предложен экспериментально-расчетный метод определения величины температурных перепадов, возникающих между центром и поверхностью изделия. Сущность этого метода состоит в том, что вначале экспериментальным путем определяются температурные перепады по сечению, возникающие при запаривании по заранее установленному режиму. Затем по данным распределения температур вычисляются средние значения коэффициентов теплообмена а и теплопроводности Л, которые затем используются для расчета температурных перепадов, возникающих в изделии при запаривании по заданному режиму. Метод был использован для расчета режимов автоклавной обработки применительно к газозолосиликатным блокам объемным весом 1000 кг/м3 и газосиликатным панелям объемным весом 700 кг/м3. При этом принималось, что допустимая величина температурных перепадов по сечениям изделия не должна превышать 70° С.

Чтобы установить распределение температур в зависимости от толщины изделия, его объемного веса и интенсивности подъема температуры и давления пара, необходимо знать, как меняются в процессе запаривания теплофизические свойства бетона. Решение этого вопроса применительно к бетонам с различными показателями влажности, пористости и объемного веса связано со значительными трудностями, так как перенос тепла в них осложнен влагообменом.

Во влажных пористых телах, к каким относятся и бетоны, наряду с переносом тепла за счет теплопроводности составляющих бетон компонентов происходит диффузия пара и жидкости, что значительно изменяет характер и интенсивность переноса тепла.

На рис. 40 и 41 приведены результаты опытов О. Кришера и Н. Эсдорна по изменению коэффициента теплопроводности газобетона шведских фирм «Итонг» и «Сипорекс». Из приведенных данных следует, что при температурах ниже 59° С и нормальном давлении с увеличением количества влаги в газобетоне возрастает коэффициент теплопроводности. По мнению О. Кришера, это связано с тем, что для таких температур и давлений эквивалентный коэффициент теплопроводности поровых ячеек ниже теплопроводности воды, для которой 7, = 0,55 ккал/м*ч*°С. При температурах выше 59° С эквивалентный коэффициент теплопроводности поровых ячеек становится больше теплопроводности воды, и поэтому на кривых имеется максимум при влагосодержании около 50%. С повышением температуры до 80—90° С происходит дальнейшее увеличение коэффициента теплопроводности до 1,2—1,8 ккал/м*ч*°С. Повышение коэффициента теплопроводности связано с интенсивным переносом тепла за счет диффузии пара в порах при указанных температурах. Эти данные подтверждают точку зрения А.В. Волженского о большом влиянии диффузии пара в порах на прогрев бетона.

Для решения различных задач по распределению температур в капиллярно-пористых телах А.В. Лыковым выведено дифференциальное уравнение переноса тепла, которое учитывает влияние на скорость изменения температуры во времени (dТ/dт)
всех форм переноса тепла, а именно:

1) за счет теплопроводности материала;

2) за счет диффузии пара и фазовых превращений (испарение и конденсация пара, тепловыделение и т. д.);

3) движущейся жидкостью и паром.

Для случая прогрева бетонов при высоких температурах до 200° С и давления пара 13 ат, когда теплофизические свойства их непрерывно меняются, использование этих уравнений становится весьма сложным, так как содержит большое число неизвестных и трудно учитываемых параметров.

А.Ф. Чудновский рекомендует для решения задач по распределению температур во влажных материалах в процессе их нагревания с учетом испарения и конденсации внутри них пользоваться следующим дифференциальным уравнением:

где е — величина, отражающая наличие внутренних источников тепла, например тепловыделение при гидратации минералов портландцементного клинкера;

х и т — переменные: расстояние от условно выбираемого начала координат и время соответственно в м и ч;

Т(х,х) — температура в °C в точке тела х в момент времени т;

Л — эквивалентный коэффициент теплопроводности в ккал/м*ч*°С, зависящий от температуры Г;

C0 — объемная теплоемкость, определяемая как произведение удельной теплоемкости с на объемный вес у и равная C0 = су, в ккал/м3*°С.

При использовании этого уравнения для определения распределения температур в одномерном теле, каким, например, является плоская плита, в которой длина и ширина превышают толщину в 5—10 раз, необходимо знать изменение коэффициента теплопроводности бетона во всем интервале изменения температуры запаривания.


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