Расчет автоклава

Растворение минералов цемента идет с разрушением  структуры вещества и сопровождается поглощением тепла (эндотермические процессы), а гидратация - с выделением тепла (эндотермические процессы).

Рассмотрим  этапы взаимодействия зерен цемента  с водой:

Этап 1. Частицы  цемента находятся в воде, которая  начинает адсорбироваться на поверхности. Адсорбированная вода создает на частице поверхностное поле и становится структурированной, т.е. по своему составу приближается к твердому телу, в котором молекулы воды имеют определенную ориентацию, что изменяет ее плотность (1,3-1,9 гр/см³);

Этап 2 и 3 (протекают  параллельно в две стадии). 1) переход  вещества в раствор в виде ионов и даже молекул, которые затем диссоциируют  на ионы; 2) происходит гидратация ионов, и образуются основы гидратных фаз, т.е. тех фаз, которые в дальнейшем способствуют образованию субмикрокристаллов;

Этап 4. Жидкая фаза становится сильно перенасыщенной новообразованиями – субмикрокристаллами. Содержание ионов (концентрация) распределяется неравномерно. Максимальная концентрация находится у поверхности зерна цемента, в результате непосредственного присоединения водя к твердой фазе. При этом образуется «внутренний продукт гидратации», а именно, внутренний гидросиликат, имеющий тонкую и плотную структуру. Внешние продукты гидратации образуются через растворения вне зерен цемента, и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Ca(OH)₂ и энтрингита;

Этап 5. На этом этапе при  повышении температуры, образования  центров кристаллизации происходит в более короткие сроки. Происходит насыщение субмикрокристаллов адсорбированной водой и плотность всей системы меняется;

Этап 6. Субмикрокристаллы  за счет гравитационных сил и увеличения размеров соединения образуют пространственную структуру. Цементное тесто в бетоне теряет пластичность и преобразует свойства твердого тела. Повышение температуры среды до 80-100°С ускоряет реакции гидратации и кристаллизации в 8-10 и более раз.

 

3. Внутреннее тепло и массообмен при ТВО

При внешнем  тепле и массообмене в результате конденсации пара поверхность получает тепло и влагу. Это приводит к увеличению влагосодержания и температуры его поверхности. По сечению изделия создается перепад температур и влагосодержаний.

t_ПМ>t_ЦМ

U_ПМ>U_ЦМ

Δt=t_ПМ-t_ЦМ

ΔU=U_ПМ-U_ЦМ

Этот перепад  температур и влагосодержания по сечению изделия может быть представлен в виде изопотенциальных линий – изовлаг и изотерм. Наибольшее изменение потенциала происходит в направлении, пересекающем изопотенциальную поверхность, т.е. возникает разность потенциалов на поверхности и в центре прогреваемого изделия, которые будут являться grad t и grad U. Следовательно, предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормам называется температурным градиентом ( Т):

А предел отношения  изменения влагосодержания и  расстояния между изовлагами по нормам называется градиентом влагосодержания ( U):

Значение потенциала температуры ( Т) и потенциала влагосодержания ( U), являются градиентами потенциала переноса теплоты и влаги, которые направлены в стороны наибольшего потенциала.

 

4. Частные потоки массы при внутреннем тепле и массообмене

Grad переноса теплоты и влаги - называют потоки теплоты и влаги, направленные в противоположную сторону от grad. За счет grad переноса теплоты вместе с передачей теплоты (удельный поток теплоты) q^B_t, возникает еще и поток влаги q^B_MU , называют термовлагостойкостью. Этот поток влаги q^B_mt как и q^B_MU входит как одна из частных составляющих в общий удельный поток массы и является величиной векторной, направленной в противоположную сторону вектору Т. Следовательно, при нагреве и увлажнении материала теплота и влага с поверхности изделия будет распространяться внутрь к центру. Влага, двигаясь внутрь изделия, частично сожмет воздух, находящийся в капиллярах, а частично выдавит его из бетона, занимая  освободившийся объем пор. Внутри бетона появится избыточное давление, которое будет увеличиваться за счет испарения влаги в пузырьки воздуха. Пузырьки воздуха, оставшиеся в бетоне по мере нагрева материала, кроме испарения влаги в пузырьки воздуха, расширяют и сам воздух, что так же увеличивает давление. Возникающее избыточное давление передается на бетон, а сам процесс возникновения избыточного давления связан с температурой, т.о. внутри бетона при ТВО в процессе нагрева возникает избыточное давление, поскольку в установке и на поверхности изделия давление равно атмосферному. Между центральными слоями бетона и поверхностью

изделия создается  перепад давления ΔР, что приводит к появлению частного потока q^B_mр . Следовательно, в период нагрева изделия, открытого со всех сторон, возникают три частных потока влаги: q^B_mu ; q^B_mt ; q^B_mр , которые составляют общий поток влаги в бетоне.

q^B_m = q^B_mu + q^B_mt + q^B_mр

а) уравнение  распространения теплоты при  массообмене:

в бетоне при  ТВО все время движутся потоки влаги и воздуха, т.е. происходит процесс массопереноса, сопровождающийся теплом массообменном, поэтому в период подъема температуры при ТВО, основной задачей является определение удельных потоков теплоты и массы.

Удельный поток  теплоты внутри материала от внутренней и дополнительно увлажненной поверхности имеет вид:

q^B_t = -λ

Т + iq^B_m

где λ – теплопроводность влажного материала;

i – теплота, перемещающаяся в материале с удельными потоками массы;

q^B_m – плотность удельного потока массы, перемещаемого в материале.

Перенос массы  внутри влажного материала происходит в направлении от высшего потенциала к низшему, а плотность потока массы прямо пропорциональна grad U имеет вид:

q^B_mu = -α_mp₀

U

α_m – коэффициент температуропроводности;

p₀ – масса абсолютно сухого материала.

По физическому  смыслу α_m характеризует скорость выравнивания влагосодержания внутри материала.

б) плотность частного потока массы за счет термовлагопроводности:

q^B_mt = -α_mp₀б

T

б – термоградиентный коэффициент, учитывающий влияние α_m на коэффициент температуропроводности.

в) плотность частного потока массы за счет изменения внутреннего давления в бетоне:

q^B_mр = -α_mp₀б_p

P

б_p – коэффициент, учитывающий влияние α_m .

г) общее уравнение  плотности суммарного потока массы  в материале:

q^B_m = -α_mp₀

U - α_mp₀б U - α_mp₀б_p U

 

 

Подставив полученное уравнение q^B_m в уравнение q^B_t , получим уравнение распространения теплоты в материале при массообмене, которое будет иметь вид:

q^B_t = -λ

Т + iq^B_m = -λ Т + (-i_Uα_mp₀ U – i_Tα_mp₀б T – i_Pα_mp₀б_p P)

i_U , i_T , i_P – теплота, перемещающаяся с потоками массы за счет grad U, grad T, grad P.

 

5. Изменение влагосодержания, температуры и давления при ТВО
1. Изменение влагосодержания при ТВО:

В первый период подъема температура влагосодержащей  поверхности изделия быстро увеличивается  вследствие пара и образования пленки конденсата на поверхности изделия; одновременно увеличивается и влагосодержание в центре изделия, но значительно медленнее.

Вначале второго  периода изотермической выдержки интенсивность  перемещения потоков влаги уменьшится, хотя они еще направлены к центру изделия. С поверхности начинает постепенно испаряться влага.

В период охлаждения, третий период, в установку подают холодный воздух, который ассимилирует влагу, насыщаясь до 100%, и удаляется  из установки. В этот период с поверхности  изделия более интенсивно испаряется влага и снижается влагосодержание;

 

2. Изменение температуры при ТВО:

Все потоки направлены к поверхности изделия из центра, и влага испаряется более интенсивно за счет конденсации пара, поверхность изделия нагревается, и к концу первого периода приобретает температуру равную температуре паровоздушной смеси в камере, т.е. с этого момента начинается период изотермической выдержки.

За счет внутреннего  тепло- и массообмена, внутренние слои бетона прогреваются медленнее и достигнув температуры паровоздушной смеси в установке во втором периоде будет нестационарным. Т.к. выравнивание температуры центра изделия и паровоздушной смеси в установке будет зависеть от тепло- и массопроводности бетона, перепад температуры между поверхностью и центром изделия будет возрастать до конца первого периода, а частные потоки влаги будут направлены к центру изделия.

В период изотермической выдержки второго периода меняется направление, а следовательно и  частных потоков, т.к. температура  в центре изделия будет больше на 5-10°С, чем на поверхности в результате экзотерической  реакции цемента.

В период охлаждения за счет испарения влаги и контактирования  с холодным воздухом, поверхность изделия начнет охлаждаться. Однако в центре изделия бетон будет остывать медленнее, т.к. продолжаются экзотермические реакции, которые увеличивают перепад температур. Направление градиентов и потоков остается прежним;

 

3. Изменение давления при ТВО:

Давление на поверхности и в центре изделия, а также в установке до начала ТВО равно 0,1 МПа.

При ТВО давление в установке и на поверхности изделия во все периоды остается без изменения, а давление в центре меняется по периодам.

В первом периоде  подъема температуры, приблизительно до его середины, давление в центре изделия растет и достигает максимального значения, возникает перепад давлений. Механизм появления избыточного давления в центре изделия можно объяснить следующим образом: в первый период за счет перепада влагосодержания возникает частный поток, направленный к центру изделия, движущаяся с этим потоком влага частично выдавит воздух из бетона, а частично его закроет в гелевых капиллярах, т.к. сама в них проникнуть не может. При продолжающемся нагреве влага начинает испаряться в пузырьки воздуха, что увеличивает давление в бетоне. Кроме того, находящейся в бетоне воздух, тоже нагревается и это повышает давление.

В период изотермической выдержки (второй период) и частично в первый период происходит снижение избыточного давления в бетоне за счет потери воздуха, т.е. его вытеснение влагой, т.к. частный поток массы будет направлен в сторону поверхности изделия.

В период охлаждения, давление вновь возрастает, но незначительно, т.к. из бетона начинает испаряться влага, а ее место занимает паровоздушная смесь, которая проникает в более нагретые слои воздуха, находящийся в паровоздушной смеси нагревается. Пузырьки воздуха, проникающие в бетон из пограничного слоя, начинают испаряться, что приводит к незначительному росту давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1. Предавтокавная обработка

 

1. Основные процессы

К предавтоклавной  обработке относятся операции выдержки изделий, предавтоклавная тепловая обработка, удаление или прикатка горбушки, разрезки массивов на изделия, образование рельефной поверхности изделий механической обработкой. Указанные операции не обязательны дл всех технологических схем. Например, резка массивов на изделия характерна только для резательной технологии.

Выдержка перед  автоклавной обработкой необходима для приобретения бетоном пластической прочности, обеспечивающей транспортирование, резку, уплотнение горбушки отформованных изделий или массивов. Тепловая обработка изделий не может начаться, прежде чем мешюровые перегородки не приобретут прочности, способной выдержать давление расширяющегося при нагревании воздуха в порах.