Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты проблемы нестационарного тепло-массопереноса в ограждающих конструкциях 9
1.1. История развития моделирования и расчета процессов тепло массопереноса в ограждающих конструкциях 9
1.2. Потенциал массопереноса 15
1.3. Теплообменные и массообменные характеристики тепломас-сопереноса 22
1.4. Критерии подобия и их физический смысл 33
1.5. Общая постановка задачи исследования 37
Глава 2. Расчет полей распределения тепла и массы в многослойной ограждающей конструкции 39
2.1. Тепломассоперенос в одном слое конструкции как в капиллярно-пористом теле 39
2.2. Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла и массы через многослойное ограждение 45
2.3. Физико-математическая модель процесса нестационарного тепломассопереноса в многослойной ограждающей конструкции 49
2.4. Аналитические решения краевых задач для каждого из слоев конструкции 57
Глава 3. Численный эксперимент и его результаты 105
3.1. Алгоритм расчета многослойной конструкции при нестацио нарном тепломассопереносе 105
3.2. Блок-схема расчета трехслойной конструкции 109
3.3. Примеры расчета полей распределения тепла и массы в отдельных слоях конструкции 113
3.4. Примеры расчета полей распределения тепла и массы в трехслойной конструкции 119
Глава 4. Расчетно-экспериментальные исследования и разработки 122
4.1. Методика определения температурных полей во влажных образцах при их автоклавной обработке 124
4.2. Моделирование нестационарных процессов в железобетонной трехслойной панели при автоклавной обработке 131
Заключение 147
Список условных обозначений 149
Список литературы 152
Приложение 158
- Теплообменные и массообменные характеристики тепломас-сопереноса
- Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла и массы через многослойное ограждение
- Примеры расчета полей распределения тепла и массы в отдельных слоях конструкции
- Моделирование нестационарных процессов в железобетонной трехслойной панели при автоклавной обработке
Введение к работе
Практически любой человек, исходя из собственного опыта, не задумываясь, ответит на два следующих вопроса. Где легче переносится человеком температура -20°С - в Сибири или Санкт-Петербурге? В какой бане легче переносится человеком температура в +100°С — в русской или в сауне? Ответы очевидны. Именно температурно-влажностный режим определяет комфортные и дискомфортные условия для жизнедеятельности человека и растений, а также успешной эксплуатации строительных конструкций. Влажностное состояние конструкции обусловливает ее теплофизические свойства, а также влияет на долговечность ограждения.
В осенний, зимний и весенний периоды происходит увлажнение ограждения за счет атмосферных осадков и диффузии пара изнутри помещения в толщу конструкции. Сезонные и суточные колебания температуры обусловливают нестационарное распределение влаги и температуры в теле ограждения. Кроме того, аварии водоводов и теплосетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли приводит к замачиванию конструкций.
Существует несколько причин появления влаги в ограждениях:
- строительная влага, то есть та влага, которая вносится в ограждение при возведении здания;
- грунтовая влага, то есть та влага, которая может проникнуть в ограждение из грунта вследствие капиллярного всасывания;
- атмосферная влага, которая может проникать в ограждения при косом дожде или вследствие неисправности крыши;
- эксплуатационная влага, то есть влага, выделение которой связано с эксплуатацией здания, выделяющаяся при производственном процессе;
- гигроскопическая влага, то есть влага, находящаяся в ограждении вследствие гигроскопичности его материалов;
- конденсация влаги из воздуха.
Известно, что с повышением влажности строительных материалов повышается и их теплопроводность, то есть при прочих равных условиях влажные ограждения будут иметь пониженные теплозащитные качества сравнительно с такими же, но сухими ограждениями. Следовательно, при проектировании наружных ограждений необходимо принимать меры для предотвращения возможного увлажнения материалов ограждающей конструкции, применять материалы с минимальной влажностью, а также учитывать не только теплотехнический, но и их влажностный режим.
Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения, так как является благоприятной средой для развития в нем грибов, плесеней и прочих биологических процессов. Развитие этих процессов в частях ограждения, расположенных в непосредственной близости от его внутренней поверхности, делает состояние ограждаемого помещения антисанитарным. Плесневые грибки, образующиеся на сырых поверхностях наружных ограждений, быстро распространяются на предметы и пищевые продукты, что может привести к их порче. Повышенная влажность ограждения может создать повышенную влажность воздуха в жилом помещении, которая, в свою очередь, может быть причиной различных заболеваний.
Влажностный режим ограждения имеет также и большое техническое значение, так как он обуславливает долговечность ограждения. Чем больше влажность материала, тем менее он будет морозостойким, так глиняный обоженный кирпич, который долговечен в стенах с нормальной влажностью, разрушается в сравнительно короткое время в наружных частях мокрых стен, подверженных попеременному замерзанию и оттаиванию. Применение в наружных ограждениях недостаточно влагостойких материалов (например, гипса) может быть также причиной их преждевременного износа, поэтому для влажных и мокрых помещений использование материалов ограничивается степенью их влагостойкости.
В подавляющем большинстве случаев конденсация влаги является единственной причиной повышения влажности ограждения. Влага из воздуха может конденсироваться на внутренней поверхности ограждения и в его толще.
В реальных условиях эксплуатации невозможно устранить все причины появления влаги в материале, поэтому нужно максимально эффективно использовать имеющиеся возможности, в частности, подобрать строительные материалы с высокими теплотехническими показателями и наиболее рационально расположить их в толще ограждения.
Все выше изложенное явилось одной из предпосылок при постановке задачи, рассмотренной в данной работе. Второй предпосылкой являются требования современного СНиП «Строительная теплотехника» [100], которые предопределили переход от однослойных конструкций стен к многослойным, содержащим эффективный утепляющий слой.
Методики СНиП [99,100] основаны на стационарном режиме. Однако температуры редко остаются постоянными даже в течение суток, и влажность конструкции колеблется в широких пределах. Поэтому возникла необходимость разработки метода расчета многослойных ограждающих конструкций при нестационарном температурно-влажностном режиме их эксплуатации.
Теплообменные и массообменные характеристики тепломас-сопереноса
В термодинамическом методе, базирующемся на законе сохранения и превращения энергии и законе сохранения массы вещества, важное значение имеет такое понятие как потенциал переноса. Для описания процессов, про текающих в закрытых и открытых системах, вводятся понятия факторов ин тенсивности и экстенсивности (емкости) [64]. Термодинамические парамет ры, не зависящие от массы или числа частиц в системе, называются интен сивными параметрами (например, давление, температура, химический по тенциал и так далее); те же из параметров, которые пропорциональны массе и числу частиц в системе, называются экстенсивными параметрами (например, объем, масса, энергия, энтропия и другие). Известно [65], что возможность, направление и предел самопроизвольного протекания процессов перехода энергии или вещества от одной системы к другой зависят от соотношения факторов интенсивности, а именно: самопроизвольное протекание процессов взаимодействия между различными частями системы возможно только в на правлении выравнивания фактора интенсивности для всех частей системы. Достижение одинакового значения этого фактора является условием равновесия, которое есть предел самопроизвольного течения процесса при данных условиях. Факторы интенсивности нередко называют потенциалами, а факторы емкости обобщенной координатой. Каждый раз, когда две системы с различными потенциалами вступают во взаимодействие, происходит выравнивание потенциалов за счет изменения соответствующих факторов емкости. Например, давление выравнивается за счет изменения объема, температура -за счет энтропии и так далее.
В общем случае потенциал переноса будет равен частной производной от соответственно выбранной характеристической функции по обобщенной координате: где индексы / и J показывают условия сопряжения системы с окружающей средой. Под характеристическими функциями, как известно [66], понимаются функции состояния, посредством которых (или посредством их частных производных) могут быть явно выражены все термодинамические свойства системы. Вид характеристической функции Ф определяется условиями сопряжения системы с окружающей средой.
Состояние термодинамического равновесия характеризуется постоянством потенциалов внутри тела, а перенос соответствующей субстанции происходит в направлении от большего потенциала к меньшему. Так перенос тепла и массы поглощенного вещества во влажных телах определяется разно-стью потенциалов переноса, а именно, энергия и вещество движутся в направлении от большего потенциала к меньшему.
Процессы переноса тепла и вещества в количественном отношении можно характеризовать как перенос некоторого количества энергии. Потенциал переноса тепла, известный как температура (Р = Т), был введен очень давно и получил в дальнейшем свое строгое обоснование в термодинамике. Для данного потенциала соотношение (1.2.1) можно переписать в виде то есть характеристической функцией Ф является внутренняя энергия Е или энтальпия (теплосодержание) Н в зависимости от условий взаимодействия системы с окружающей средой (объем постоянен K=Const или давление постоянное =Const ), а обобщенной координатой - энтропия S [1]. Теоретическая основа температуры как потенциала переноса тепла заложена в так называемом нулевом законе термодинамики, сформулированном в 1931 году Р. Фаулером [53]: если каждая из каких-либо двух систем находится в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом. Для температуры также справедливы утверждения из теории потенциалов: в условиях термодинамического равновесия температуры на стыке двух тел равны, перенос тепла осуществляется от тела с большей температурой к телу с более низкой температурой.
Введение понятия температуры как потенциала переноса тепла обусловило успешное решение проблемы теплообмена, не осложненного массооб-меном. Но наука и практика потребовали рассмотрения вопросов взаимосвязанного тепло- и массолереносов.
Потенциал переноса вещества был введен гораздо позднее, что объяснялось отсутствием соответствующих исследований по термодинамике переноса вещества. Существенный позитивный сдвиг в развитии теории переноса вещества произошел в 50-х годах, когда В.Н. Богословский в работе [37] и А.В. Лыков в работе [48] по аналогии с температурой ввели понятие потенциала переноса влаги, который представляет собой некоторую функцию вла-госодержания и внешних условий. В этих работах решается проблема потенциала переноса вещества на основе термодинамической аналогии между переносом тепла и массой. В своей работе Лыков применяет к массопереносу те же методы и системы понятий, которые справедливы для теплопереноса. Оба ученых распространяют закон Фаулера о транзитивности теплового равновесия на влажностное.
В настоящее время для оценки влажностного состояния пористого материала, наряду с концентрацией влаги в его порах применяют различные потенциалы: адсорбционный, химический, капиллярный, экспериментальный и другие. Каждый из потенциалов служит определенным целям, например, адсорбционный дает энергетическую оценку связи адсорбата и адсорбента, капиллярный характеризует капиллярные явления, целью экспериментального потенциала является упрощение физико-математической модели влагопере-носа в капиллярно-пористых материалах. Известно, что потенциалом переноса парообразной влаги во влажном воздухе является химический потенциал, который зависит от температуры и парциального давления пара, но в области влажного состояния химический потенциал не может служить в качестве потенциала переноса влаги [57]. Теория и практика применения различных потенциалов отражена в работах [48, 53, 54, 55, 56].
Выше названные потенциалы переноса влаги отражают лишь определенную область массопереноса. Представляется целесообразным ввести единый универсальный потенциал переноса влаги как для гигроскопического, так и для влажного состояния материала. Именно экспериментальный потенциал влажности и отвечает такому требованию. Остановимся подробнее на этом понятии.
Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла и массы через многослойное ограждение
Приведем алгоритм расчета распределения температуры и влаги в трехслойной конструкции с помощью аналитических решений и их последующего сопряжения на каждом временном интервале.
В начальный момент времени температура и потенциал массопереноса во всех слоях конструкции одинаковы и равны t0 и 0О (Рис. 15а). Для первого малого интервала времени по уравнениям (2.4.24), (2.4.25) или (2.4.62) и (2.4.63) рассчитывают поле температуры и потенциала в первом слое конст рукции (Рис. 156). После этого определяют величины градиентов температу ры и потенциала массопереноса на правой границе первого слоя по зависи мостям (2.4.26) и (2.4.27) или (2.4.64) и (2.4.65). Если оба градиента равны Т нулю, то потоки тепла и массы в задачах 2-го и 3-го слоев полагаются также равными нулю. После полного просчета всех 3-х слоев (второго слоя по формулам (2.4.40), (2.4.41) или (2.4.66), (2.4.67)и третьего слоя по формулам (2.4.56), (2.4.57) или (2.4.70), (2.4.71)) сравнивают температуры и потенциалы влагопереноса на левой границе 3-го слоя и на правой границе второго слоя. Если они различны (Рис. 15е), то их значения на левой границе третьего слоя будут задавать граничные условия первого рода в задаче второго слоя, и на том же временном интервале нужно выполнить просчет второго слоя, посмотреть температуру и потенциал влагопереноса на его левой границе. Если они подверглись изменению, то задать их в качестве граничных условий в задаче 1. Далее производят расчет для следующего временного интервала в пер-вом слое и так далее. Если же на каком-то временном шаге хотя бы один из вышеупомянутых градиентов отличен от нуля (Рис. 15г, 15е), то его величина принимает участие в граничном условии второго рода в задаче 2. А именно, величина теплового потока q 2 в этом случае определяется как произведение коэффициента теплопроводности Хд1 первого слоя на модуль температурного градиента Гп, а величина массопотока qml определяется как произведение коэффициента массопроводности на модуль градиента Гт. С заданными величинами тепло- и массопотоков рассчитываются новые поля во втором слое (Рис. 15д). Для третьего слоя потоки qqZ и qm3 на левой границе все еще полагаются равными нулю (если до этого не изменялись ГУ на стыке второго и третьего слоев). Снова выясняют характеристики на левой границе третьего слоя и задают их в качестве граничных условий первого рода в задаче 2. Пе ресчитывают второй слой. Полученное после просчета новое значение тем пературы (потенциала массопереноса) второго слоя на левой границе задается в качестве граничного условия первого рода в задаче 1. С новым значением граничного условия задачи 1 производится расчет первого слоя для следующего интервала времени. По аналогичному алгоритму просчитываются все слои до тех пор, пока хотя бы один из градиентов ГГ2 или FQ2 на правой границе второго слоя не станет отличным от нуля (градиенты вычисляются по формулам (2.4.42), (2.4.43) или (2.4.68), (2.4.69)). Тогда модули этих градиентов, умноженные на коэффициент теплопроводности Xq2 или массопро водности \т2 соответственно будут определять теплопоток и массопоток в граничных условиях второго рода в задаче 3. После этого просчитывается третий слой, выясняется температура и потенциал влагопереноса на левой границе третьего слоя, которые будут выполнять роль граничных условий первого рода в задаче 2. С новыми граничными условиями просчитывается слой 2 для того же временного интервала, вычисляются температура и потенциал массопереноса на левой границе второго слоя. Они задаются в качестве граничных условий первого рода в задаче 1.
Далее процесс начинается сначала с задачи первого слоя, но уже для следующего временного интервала. Алгоритм расчета для следующих временных интервалов новым изменениям не подвергается. Процесс продолжается до тех пор, пока не истечет заданное время. Полученные при этом распределения температуры и потенциала массопереноса можно посмотреть в виде таблицы или графика. Рисунки 15 служат иллюстрацией к описанному алгоритму.
Как только в какой-либо из задач происходит смена граничных условий, возникает как бы новая задача с новыми граничными условиями, поэтому отсчет времени для данного слоя начинается снова с нуля (хотя общее время процесса во всей конструкции продолжает наращиваться), и в качестве начальных распределений температуры и потенциала влагопереноса берутся полученные на предыдущем временном шаге дискретные распределения, которые с помощью метода наименьших квадратов предварительно приближаются либо квадратичной функцией, либо полиномом третьей степени.
Приведенный выше алгоритм разработан для трехслойной конструкции. Если же требуется увеличить число слоев конструкции, то реализация такой задачи будет осуществляться аналогично, так как процессы, происходящие в крайних слоях «--слойного ограждения, также будут описываться задачами 1 и 3, а процессы в средних слоях — задачей 2. Усложнится лишь программа расчета и блок-схема.
Весь процесс тепломассопереноса можно разделить на три интервала: 1 .Нерегулярный режим, при котором распределение тепла и массы сильно зависит от начального распределения температуры и потенциала мас-сопереноса. Именно этот режим наиболее близок к реальным условиям эксплуатации зданий, подверженных колебаниям внешних и внутренних температур, а также изменению влажности окружающего воздуха. Данный режим наблюдается при малом времени процесса, то есть при малых значениях критерия Fo, в этом случае в аналитических решениях, представляющих собой бесконечные ряды, требуется брать в расчет большое количество членов ряда, что в условиях современного развития компьютерной техники не требует больших затрат времени. 2. Регулярный режим, при котором изменение температуры и влажности практически не зависит от их начального распределения, и в аналитических решениях при расчете можно обойтись одним или несколькими первыми членами рядов. 3. Температура и влажность конструкции совпадает с соответствующими характеристиками окружающей среды. Интерес представляет определение времени наступления регулярного режима, именно временной фактор существенен при решении многих задач теплопроводности. Предлагаемая математическая модель позволяет решить следующие задачи: - оценить теплофизическое состояние проектируемых конструкций при различных режимах эксплуатации и, как следствие, рационально запроектировать их под конкретный режим, - рассчитать поле температур и потенциала массопереноса в сложных многослойных конструкциях, - при лабораторных испытаниях существенно сократить время испытания, у исследователей появляется возможность не дожидаться установления регулярного режима, - при замере температуры в характерных точках (на стыках слоев и поверхности конструкции) позволяет определить недостающие тепло-физические характеристики материалов, составляющих обследуемую конструкцию.
Примеры расчета полей распределения тепла и массы в отдельных слоях конструкции
Общность протекания процессов в строительных конструкциях требует единства подхода к решению задач строительной теплофизики. Эмпирический подход к решению той или иной проблемы имеет право на жизнь, но использование математического моделирования в совокупности с экспериментальными методами дает возможность создать инженерные методы расчета различных процессов.
Математическое моделирование позволяет на основе анализа протекания конкретного процесса в отдельном строительном материале или конструкции распространить и обобщить полученные результаты на сходные процессы с учетом их характерных особенностей. С учетом специфики того или иного моделируемого процесса происходит корректировка обобщенного математического описания, его привязка к конкретной реальной ситуации.
При расчетно-экспериментальных исследованиях и разработке инженерных методов расчета удобно придерживаться такого алгоритма. Прежде всего, необходима грамотная, всесторонняя и полноценная постановка задачи (см. рис. 16, блок 1). Исходя из этого, определяются: объект исследования, его характерные особенности (блок 2); физический процесс, протекающий в объекте и его особенности (блок 3); математическое описание (модель) объекта и физического процесса (блок 4). При дальнейшем исследовании производят анализ особенностей объекта и моделируемого физического процесса, выявляют параметры (факторы), которые кардинально влияют на протекание процесса. Затем анализируют математическую модель и выявляют недостающую информацию для реализации этой модели (блок 5). Если информации для решения системы уравнений в замкнутом виде достаточно, то модель реализуют и получают инженерный метод расчета (ветвь "ДА" к блоку 6). Если информации недостаточно, то ее, как правило, можно получить экспериментальными методами, для чего идет возврат к объекту чтобы провести экспериментальные исследования и определить недостающие параметры, позволяющие получить решение в замкнутом виде (ветвь "НЕТ" к блоку 8). После этого вновь возвращаются к математической модели (блоки 4 и 5), разрабатывают алгоритм, блок-схему и программу расчета, то есть инженерный метод расчета (блок 6). Далее анализируют методику расчета на предмет ее адекватности отражения объекта (блок 7). Если адекватность удовлетворительная, то задача считается решенной (ветвь "ДА" блока 7). Если наблюдаются существенные расхождения опытных и расчетных данных, то для уточнения расчетной методики путь решения поставленной задачи может быть пройден заново или частично.
Задача обеспечения оптимального режима термовлажностной обработки конструкции для инженера-изготовителя является важнейшей. Предлагаемая методика основана на натурных испытаниях, так как смоделировать процесс автоклавной обработки на лабораторном стенде нецелесообразно.
Для определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций методика ГОСТ 26254-84 предусматривает использование климатической камеры. Предлагаемая методика позволяет исключить из лабораторных испытаний климатическую камеру, тем самым упрощает и удешевляет процесс испытания, не снижая степени достоверности получаемых результатов.
Для проведения теплотехнических испытаний изготавливают минимум пять образцов однотипной конструкции по технологии, принятой на производстве. Образцы монтируют на специальных поддонах-весах (рис.17). Каждая панель-образец состоит из трех слоев. Первый слой - это слой из тяжелого бетона класса В 20 толщиной (шириной) 120 мм, второй слой - это слой утеплителя (пенополистирол марки 40) толщиной 200 мм, третий слой - это слой из тяжелого бетона класса В 20 толщиной (шириной) 80 мм.
При изготовлении образцов в них замоноличивают термопары, или, чтобы термопары использовать неоднократно, для установки термопар в образцах сверлят отверстия диаметром 10... 12 мм. Схема расположения термопар (отверстий) приведена на рис. 17. Отверстия сверлят параллельно плоскости поддонов в одном уровне.
В каждом образце должно быть минимум пять отверстий: первое отверстие - от сечения 1-1 (плоскость I) до сечения 2-2 (середина слоя 1); второе отверстие - от сечения 1-1 до сечения 3-3 (плоскость II - стык слоев 1 и 2); третье отверстие - от сечения 1-1 до сечения 4-4 (середина слоя 2); четвертое отверстие - от сечения 1-1 до сечения 5-5 (плоскость III - стык слоев 2 и 3); пятое отверстие - от сечения 1-1 до сечения 6-6 (середина слоя 3), кроме того, непосредственно на поверхностях конструкции [сечение 1-1 (плоскость I) и сечение 7-7 (плоскость IV)] дополнительно монтируют минимум еще по одной термопаре на каждой плоскости. Таким образом минимальный набор термопар составляет семь штук - по три штуки на слой. Для более точного снятия температурного поля количество термопар (отверстий) должно быть увеличено.
Для снижения погрешности согласно п.4.11 ГОСТ 26254-84 термический провод от места закрепления чувствительного элемента отводят по поверхности ограждающей конструкции в направлении изотерм или минимального градиента температур на длину не менее 50 диаметров провода. В этом случае отверстия сверлят в плоскости соответствующих сечений.
После сверловки монтируют термопары в соответствующих сечениях (рис. 17). Применяют термопары хромель-алюмель или хромель-капель с диаметром электродов 0,3 мм и длиной до 25000 мм и ПХВ изоляцией по ГОСТ 3044-77 или ГОСТ 1790-77. Термопары закрепляют на поверхностях и в отверстиях с помощью гипса или пластилина. Толщина клеящего состава не должна превышать 2 мм. Степень черноты используемых клеящих составов должна быть близкой к степени черноты материала, к которому крепится термопара.
Термопары 1 измеряют температуру левой поверхности стенки С ta.cT.) образца. Термопары 2 измеряют температуру в середине первого слоя (t BR бо)- Термопары 3 и 5 измеряют температуры плоскостей II и III, соответственно ( tBH.2 и tBH з ) Термопары 4 измеряют температуру в середине второго слоя ( tB„.ioo). Термопары 6 измеряют температуру в середине третьего слоя ( tBH.4o ). Термопары 7 измеряют температуру на правой поверхности стенки (tn CT,) образца.
Температуру воздуха внутри пропарочной камеры ( tK ) измеряют двумя термометрами Ф 206, или метеорологическими термометрами ТМ-8, установленными около сечений 1-ій 4-4 (обозначены цифрой 8), и принимают как среднее арифметическое из показаний, кроме того по термометрам, которыми оборудована типовая пропарочная камера. Комплект термопар каждого образца подключен через переключатель точечного типа ПНТ (9) к потенциометру ПП-63 (10), холодные спаи термопар термостатированы при постоянной температуре в термостате (11).
После установки приборов осуществляют контрольные замеры толщин слоев в образце, результаты заносят в журнал испытаний. Затем осуществляют взвешивание конструкции на поддоне-весах.
Измерительная аппаратура должна располагаться с наибольшей рациональностью и обеспечивать свободный визуальный контроль ее показаний с минимальными затратами времени.
Моделирование нестационарных процессов в железобетонной трехслойной панели при автоклавной обработке
Термообработка является завершающей технологической операцией, направленной на ускорение твердения бетона и получение им необходимых свойств. Нормативной температурой среды твердения бетона считается 15-20С. Набор прочности происходит за 28 суток, при отсутствии солей в бетонной смеси твердение при О С практически прекращается. Одним из способов увеличения скорости твердения является пропаривание бетона.
Согласно современным представлениям полный цикл термовлажной обработки подразделяют на 4 основных этапа: 1 этап - предварительное выдерживание до пропаривания; 2 этап - повышение температуры в камере пропаривания; 3 этап - непосредственно изотермическое прогревание; 4 этап - охлаждение. Продолжительность первого этапа составляет 2-Ю часов. Предварительное выдерживание способствует образованию структуры бетона в условиях отсутствия температурных деформаций и миграций влаги, что положительно влияет на прочность и стойкость готовых изделий. Согласно исследованиям [101... 103] оптимальное время предварительной выдержки обусловлено такими параметрами как тонкость помола цемента, содержание белита в цементе, температура окружающей среды, при которой происходит выдержка. В исследованиях [104... 108] за критерий оптимальности выдержки принят момент начала схватывания бетона и приобретение им прочности 0,3-0,5 МПа, и чем выше В/Ц отношение, подвижность бетонной смеси и ниже температура среды, тем продолжительнее время предварительной выдержки изделия. В период предварительного выдерживания складывается определенная структура бетона, которая формируется в относительно спокойных условиях. Эта структура становится способной воспринимать тепловое воздействие при подъеме температуры, не претерпевая при этом нежелательных изменений.
На втором этапе нагрев изделия осуществляется за счет теплопроводности материала, конвективного взаимодействия с паровоздушной средой и конденсации пара. Процесс осаждения влаги на поверхности изделия продолжается до тех пор, пока не установится температурное равновесие между температурами среды и поверхностью изделия. В этот период изделие за счет разности давлений пара в среде и в изделии поглощает некоторое количество влаги. Влага мигрирует вовнутрь изделия, а поверхностные слои изделия зачастую набухают. При миграции влаги и воздуха в процессе подъема температуры в пропарочной камере возрастает пористость бетона изделия, по данным [109] паропроницаемость цементного камня увеличивается в 3-4 раза по сравнению с нормально-влажным режимом твердения. Согласно [104] минимальная пористость для портландцемента соответствует шестичасовому про-париванию при 95 С. При твердении бетонного изделия непосредственно в форме, которая является безусловным фиксатором объема изделия, компоненты бетонной смеси стремятся занять объем воздушных пор и препятствуют их температурному расширению. Незащищенные формой поверхности изделия имеют более высокую пористость, распределение пор по толщине изделия становится неравномерным.
При второй технологической операции (этап 2) в изделии протекают конструктивные и деструктивные процессы. К конструктивным относится ускорение гидратации цемента и, как следствие, ускорение набора прочности изделием. В качестве деструктивных можно выделить: - температурное расширение бетона 3-6 мм/м; - наличие температурного градиента обусловливает возникновение температурных напряжений [101], которые при быстром нагреве изделия приводят к образованию микротрещин и нарушению контактных связей между цементом и заполнителем; - наличие воздуха, который присутствует в воде затворения и адсорбирован на поверхности твердых частиц. Этот воздух имеет коэффициент линейного расширения в 200-300 раз больший, чем у твердых компонентов, и поры внутри бетона вследствие расширения в них воздуха будут стремиться раздвинуть частицы бетона, что особенно проявляется в случаях твердения без фиксации формой; - частичное испарение воды и миграция влаги вовнутрь изделия. Именно деструктивными факторами обусловлено медленное повышение температуры в пропарочной камере, которое происходит в течение 1,5-3 часов. Продолжительность третьего этапа составляет 6-15 часов при температуре 90-95 С во влажной среде. На этой стадии происходит фиксация дефектов бетона, приобретенных на предыдущих этапах. Температурное равновесие между изделием и средой может нарушаться вследствие экзотермии цемента [ПО], когда превышение температуры среды может достигать 6-8 С , отдача тепла осуществляется от изделия в среду, и происходит испарение влаги с поверхности изделия.
При понижении температуры в тепловой установке на четвертом этапе температура бетона должна снизиться до температуры окружающей среды. Остывание изделия происходит в естественных условиях и длится 2-3 часа. За счет температурного градиента происходит интенсивное испарение влаги (до 20-40% от объема воды затворения), наблюдается миграция влаги из центра изделия к поверхности. Этот процесс обуславливает направленную пористость изделия, которая повышает водопроницаемость и понижает морозостойкость. На этапе остывания за счет температурных перепадов по толщине изделия возникают температурные напряжения, величина которых зависит от массивности изделия, скорости понижения температуры и теплопроводности материала.
Следует отметить, что технологические режимы всех четырех этапов зависят от различных факторов: вида цемента, В/Ц отношения, требуемой прочности бетона, вида конструкции, наличия технологического оборудования и т.д. Их продолжительность, как правило, подбирается опытным путем, оптимизация осуществляется методом проб и ошибок, что экономически нецелесообразно. Сбои в технологическом процессе также приводят к негативным последствиям, а оперативное вмешательство в процесс сопряжено с большими трудностями, связанными с выявлением характера сбоя и прогнозированием его влияния на последующие операции технологической цепочки. Кроме того, термовлажностная обработка бетона изделий происходит во влажном воздухе, который представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Соотношение этих двух составляющих оказывают существенное влияние на режимы обработки. Справочные данные [105, 111, 112], к сожалению, носят обобщенный характер, и зачастую не позволяют подобрать эффективные параметры процесса, тем более, откорректировать процесс при сбоях и неполадках в технологии пропарки. В данной работе предложен инженерный метод расчета, который базируется на математическом моделировании как отдельных этапов, так и всего технологического процесса, а так же на контроле характерных показателей процесса термовлажностной обработки.
