Расчет автоклава

В процессе формования температура ячеистогобетонной  смеси после заливки ее в формы  начинает повышаться. Повышение температуры  смеси вызвано экзотермическими процессами гашения извести, взаимодействия ее с алюминием, процессами структурообразования. При виброформовании это тепло выделяется в короткий срок, вызывая повышение температуры смеси до 70-90°С. Формование крупных массивов по резательной и виброрезательной технологиях приводит к еще более высоким температурам внутри массивов.

Повышение температуры  оказывает положительное влияние  на скорость структурообразования, поэтому, например, при виброформовании повышенная температура и низкое ВД обеспечивают приобретение бетоном прочности, необходимой для распалубки уже через 20-40 минут. При формовании по литьевой технологии в индивидуальных формах, вследствие замедления экзотермических процессов длительность выдержки до срезки горбушки и распалубки значительно больше и составляет 2-6 ч, в зависимости от вида вяжущего, для газобетонов и 4-8 ч – для пенобетонов. Длительная выдержка увеличивает опасность образования усадочных трещин и деструктивных процессов в ячеистом бетоне.

Высокая температура  внутри крупных массивов, достигающая 100°С, может привести к образованию трещин, вследствие большой разности температур в центре и на поверхности массивов. Для снижения температурных перепадов и обеспечения оптимального режима структурообразования рекомендуется предварительный прогрев форм и выдержка их после заливки в камерах тепловой обработки, обеспечивающих тепловой режим в соответствии с температурой в центре массива. Это позволяет за 3-4 часа выдержки в камере получить пластическую прочность 0,035-0,045 МПа, которая исключает появление трещин и других дефектов на дальнейших технологических операциях.

Тепловая обработка  массивов имеет целью предотвратить  большие температурные перепады, вызывающие дефекты изделий, и обеспечить равномерную прочность по сечению массива, необходимую для его нормальной резки. Производится она в камерах тепловой обработки горячим воздухом. Камера располагается непосредственно за постом заливки ячеистой смеси.  Длина ее рассчитывается из условия нахождения в ней формы в течении 4 часов, что позволяет получить необходимую пластическую прочность бетона в пределах 0,035-0,045 МПа. В качестве теплоносителя применяется пар, пропускаемый по закрытым регистрам, расположенным по продольным стенкам камеры и на полу на уровне головок рельс.

2. Прикатка или срезка горбушки

Формование  изделий методом газообразования всегда сопровождается образованием некоторого избытка вспучившейся смеси, образующей горбушку над уровнем бортов форм. Объем такой горбушки составляет 5-10% от объема изделий, формуемых в индивидуальных горизонтальных формах, и 2-3% в кассетах и крупных массивах. Для придания изделиям правильной геометрической формы, горбушку необходимо срезать или прикатать, вдавив ее в поверхностный слой газобетона.

3. Разрезка массивов на изделия

На заводах, работающих по резательной технологии, формуются крупные массивы, разрезаемые после приобретения заданной прочности на изделия требуемых размеров. Объем массивов при изготовлении конструктивных элементов достигает 15-20 м³. Теплоизоляционные изделия почти на всех заводах, в том числе и на заводах, работающих по литьевой технологии, получаются разрезкой массивов объемом до 8-10 м³.

Разрезку осуществляют струнами, качающимися или неподвижными, установленными на специальных агрегатах или закрепленными на борт-оснастке. Разрезка массивов ножами или пилами не нашла широкого применения вследствие усложнения агрегатов.

Исследования  показали тесную связь пластической прочности газобетона с характером разрушения сырца перед фронтом режущего органа. При низкой прочности бетона поверхность реза шероховатая. На поверхности образуется уплотненная поверхностная пленка. Разрезка массивов с высокой пластической прочностью обеспечивает минимальную шероховатость, но требует больших энергозатрат. При этом часты обрывы струн. Для большинства режимов резания оптимальная пластическая прочность колеблется в пределах от 0,03 до 0,08 МПа. Резание газобетонного сырца с пластической прочностью менее 0,02-0,025 МПа приводит к слипанию поверхностей по плоскостям резания.

По направлению  разрезку делят на следующие виды:

• Горизонтальную;
• Вертикальную продольную;
• Вертикальную поперечную.

По движению струны различают методы:

• Продавливания;
• Пиление бегущей струной.

Существуют  также разновидности методов, уточняющие условия применения метода. Например, продавливание с применением пуансонов.

2. Автоклавная обработка

1. Физико-химические процессы при автоклавной обработке.

Твердение ячеистобетонных  смесей с образованием новых соединений, отсутствующих в исходных материалах, происходит в результате сложных процессов взаимодействия между компонентами сырьевой смеси. На вид новообразований влияют: вид, количество и активность компонентов сырьевой смеси; соотношение между компонентами смеси; температура смеси; давление; длительность взаимодействия и ряд других факторов.

Если в ячеистой смеси  имеются гидравлические вяжущие, то твердение происходит в результате их гидратации и гидролиза. По теории твердения вяжущих П.А.Ребиндера, схватывание и твердение цемента представляет собой комплекс процессов гидратации, самопроизвольного измельчения микрочастиц вяжущего, образование гаксотронных структур и развитие на их основе кристаллизационных структур гидратных новообразований, получившихся в результате кристаллизации через стадию пересыщенного раствора.

После твердения портландцемента  в нормальных условиях образуются: CSH гель, кристаллический Ca(OH)₂ , гидросульфоалюминат кальция 3CaO-Al₂O₃-12H₂O, а также гидроферриты и гидроалюминаты кальция. Структура продуктов гидратации цемента при обработке в среде насыщенного пара значительно изменяется с повышением температуры до 170-190°С. Изменяются состав и структура гидросиликатов кальция, не обнаруживается самостоятельных алюминатных фаз. Видимо, основная часть Al⁺³ входит в гидросиликаты-гидрогранаты. автоклавная обработка клинкерных минералов показала, что алюминаты и алюмоферриты кальция почти не дают прироста прочности по сравнению с нормальным твердением в течении 28 дней или даже снижают ее.

Повышение прочности ячеистого  бетона при введении в состав смеси, кроме цемента, еще и кремнеземистого  компонента, говорит о том, что  основную роль в прочности бетона играют не продукты гидратации и гидролиза цемента, а новые соединения, возникшие в результате взаимодействия кремнезема с продуктами гидратации цемента, т.е. продукты гидротермального синтеза.

Гидротермальный синтез основан  на химическом взаимодействии гидрата окиси кальция Ca(OH)₂ , введенного в состав сырьевой смеси или образующегося при гидролизе клинкерных минералов с кремнеземистым компонентом (кварцевым песком, золой ГЭС, доменным шлаком). В условиях повышенных температур и давлений в автоклаве кремнезем, содержащейся в кварцевом песке, золе, шлаке, превращается в активный компонент, который способен реагировать с известьсодержащими материалами, образуя гидросиликаты кальция CSH(B), C₂SH(B), тоберморит C₄S₅H₅ ,  ксонотлит C₆S₆H и др.

С ростом температуры и  давления основность гидросиликатов уменьшается, а степень кристаллизации увеличивается. Повышение содержания растворимого кремнезема при повышении давления увеличивает  количество новообразований. Постепенно исчезают Ca(OH)₂ и C₂SH(А), одновременно образуется низкоосновные гидросиликаты разного состава и различной степени кристаллизации.

Конечный состав гидросиликатов зависит от основности исходной сырьевой смеси и параметров автоклавной обработки. Высокоосновные материалы – портландцементы, шлаковые и нефелиновые цементы – в зависимости от условий запаривания образуют высокоосновные гидросиликаты кальция, имеющие невысокую прочность. Введение кремнезема приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов кальция, характеризующихся высокой прочностью. Изменяя основность сырьевой смеси, можно получать ячеистые бетоны с заданными свойствами.

2. Режимы автоклавной обработки

При тепловлажностной обработке ячеистых бетонов одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, физико-химические процессы твердения  смеси и вызываемых ими структурных изменений, процессы изменения давления в порах бетона. Все они вызывают деформации бетона и связанные с этими деформациями значительные внутренние напряжения. Внутренние напряжения возникают в бетоне также в результате неоднородности различных зон бетона. Процессы, протекающие в твердеющем бетоне, и напряжения, вызываемые ими, приводят к развитию деструктивных явлений, являющихся причинами снижения прочности ячеистого бетона. На развитие деструктивных процессов, кроме факторов, указанных выше, влияют также характер пористости, деформативность бетона в процессе автоклавной обработки и т.д.

При подъеме  давления в автоклаве тепловая энергия  подводится к поверхности изделий, т.е. температурный градиент направлен от поверхности к центральным зонам. Температурные перепады тем больше, чем толще изделия и интенсивнее подъем температуры и чем ниже экзотермия вяжущего. Одновременно идет процесс перехода бетона из упруговязкопластичного состояния в упругохрупкое с нарастанием прочности и модуля упругости бетона. Напряжение в начальный период автоклавной обработки незначительны вследствие низкого модуля упругости бетона, поэтому деформации могут протекать без образования трещин. Это говорит за сокращение стадии подъема давления, но при этом существует опасность образования дефектов в конце стадии подъема давления или в начале стадии изотермического прогрева, когда в результате происходящего с запозданием теплового расширения центральных зон изделия знак напряжения в наружных слоях изменяется, и они оказываются уже растянутыми.

Вследствие  значительного числа разнообразных  факторов, влияющих на твердеющий в автоклаве бетон, расчет режимов автоклавной обработки весьма сложен и не всегда точен. Поэтому рекомендованные в инструктивной литературе и различных методиках режимы автоклавной обработки должны уточняться в производственных условиях. Учеными предложено много различных методов расчета режимов, но ни один из них не может учесть всего многообразия факторов, воздействующих на твердеющий в автоклаве ячеистый бетон.  Б.А.Новиков предложил метод расчета продолжительности прогрева и охлаждения изделий в зависимости от допускаемых температурных и усадочных напряжений. Метод расчета, основанный на кинетике растворения кремнезема и его связывания с гидроокисью кальция, предложен В.А.Рейманом и его сотрудниками.

К.Э.Горяйновым разработан метод инженерного расчета  продолжительности отдельных стадий автоклавной обработки, учитывающий основные, наиболее значимые технологические факторы: геометрические и технологические параметры изделий или массивов до автоклавной обработки, теплотехнические параметры и допускаемые перепады температуры в запариваемых изделиях.

Эффективность автоклавной обработки ячеистых бетонов в значительной степени зависит от соотношения количества пара и воздуха внутри автоклава и в порах бетона. Чем выше содержание воздуха в смеси, тем ниже температура паровоздушной смеси и тем больше сопротивление при переходе тепла к бетону. К.Э.Горяйнов и И.Б.Заседателев установили, что это вызвано снижением коэффициентом теплоотдачи от среды к бетону. Вначале удаления воздуха из автоклава производилось вакуумированием. Опыт производства вскрыл недостатки этого способа, и в настоящее время удаление воздуха производят продувкой автоклава паром или совмещением вакуумирования с продувкой.

Под режимом  автоклавной обработки подразумевается  длительность отдельных периодов (стадий) и их тепловые характеристики. Разбивка на периоды может быть различной в зависимости от того, какие процессы, протекающие в твердеющем ячеистом бетоне, берутся во внимание.

Наиболее правильной представляется предложенная К.Э.Горяйновым разбивка цикла автоклавной обработки  на 4 периода:

1. Нагрев изделий до 100°С с продувкой при давлении пара немногим более атмосферного;
2. Нагрев до максимальной температуры, достижимой в автоклаве;
3. Изотермический нагрев;
4. Снижение давления.

Длительность  первого и второго периодов рассчитывается исходя из необходимости максимальной скорости подъема температур при  допустимых внутренних напряжениях, возникающих при температурных перепадах в изделиях. Их экономических соображений длительность периодов должна быть минимальной. Этого можно добиться, ускорив движение тепловой волны от поверхности к центральным зонам изделий. Такое ускорение возможно при переходе от молекулярно теплопереноса к молярному тепломассопереносу (инфильтрации пара в центральные зоны изделий).

Исследования  показали, что молярный тепломассоперенос  интенсивно протекает при температурах в центре изделий выше 65-70°С. Такие  температуры возможны в изделиях, поступающих на автоклавную обработку после формования по резательной или кассетной технологиям. Длительность первого и второго периодов в этом случае может составлять не более 1-1,5 часа. При температурах в центральных зонах изделий перед загрузкой в автоклав менее 65-70°С рекомендуется быстрый нагрев с повышением давления в автоклаве.