4.2. Режимы тепловлажностной обработки

Эффективными следует считать режимы тепловой обработки, которые позволяют получать бетон заданной прочности без существенных нарушений его структуры при минимальных удельных расходах вяжущего и тепловой энергии.

В общем виде полный цикл тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий состоит из следующих периодов (рис. 4.1, а): предварительного выдерживания _пред; нагрева изделия _I; изотермического выдерживания _II; охлаждения _III.

Выбор рациональных режимов тепловой обработки основывается на полной увязке множества технологических и теплотехнических факторов. Длительность предварительного выдерживания, скорость нагрева, температура и продолжительность изотермического выдерживания и т. д. зависят от характеристик материала, условий эксплуатации изделия, конструкций тепловых установок.

Выбор вида и режима тепловой обработки следует производить с учетом влияния вяжущего. Так, для бетонов на высокоактивных вяжущих марки М400 и выше рекомендуется паропрогрев при температуре 60...85 °С при относительной влажности среды 90...100 %; для бетонов на низкомарочных портландцементах, шлакопортландцементе и пуццолановых портландцементах тепловая обработка эффективна при температурах 95... 115 °С; для цементов, содержащих тонкомолотые кремнеземистые компоненты (например кварцевый песок), обработку проводят при повышенных давлениях и температурах 170...220 °С.

Для изделий из пластифицированных и гидрофобных цементов допускается тепловая обработка по мягким режимам с небольшой скоростью подъема температуры после экспериментальной проверки в условиях, соответствующих производственным. Тепловая обработка бетонных изделий на глиноземистом цементе вообще не допустима.

На длительность тепловой обработки также оказывает влияние массивность изделий. С увеличением массивности возрастает температурный перепад между наружными и внутренними слоями бетона, увеличивается величина температурных напряжений и вероятность возникновения температурных деформаций. На графике режима тепловлажностной обработки (рис. 4.1, б) дано изменение температуры среды в установке t_ср, температура поверхности изделия t_п зависит от интенсивности теплообмена в установке и следует за температурой среды с отставанием. Температура центра бетонного изделия t_ц, зависит от коэффициента теплопроводности материала  и толщины изделия: для тонких изделий t_ц, незначительно отстает от t_п перепад температур поверхность –центр t₁ невелик. Температура центра толстого массивного изделия t_ц, значительно отстает от t_п, перепад температур t₂, может превысить предельно допустимую величину (принято t_max = 30 °С), структура изделия будет нарушена.

Рис. 4.1. Графики режимов тепловой обработки бетонов:

а – варианты режима тепловой обработки, б – прогреваемость изделий различной толщины, в – ступенчатый режим тепловой обработки.

Для предотвращения этого явления применяют ступенчатый режим обработки (рис. 4.1, в). В период нагрева и охлаждения вводят одно или несколько промежуточных выдерживаний, позволяющих довести температурный перепад t до допустимых величин.

Для восприятия теплового воздействия без нарушения структуры бетон должен обладать начальной (критической) прочностью, для чего его предварительно выдерживают при температуре окружающей среды. Быстрый нагрев после формования приводит к преждевременному уплотнению оболочки вокруг зерен цемента, прекращению диффузии раствора, замедлению реакций, к недоиспользованию цемента.

Предварительное выдерживание обязательно для изделий сложной конфигурации, с большим модулем открытой поверхности, при немедленной распалубке; оно необходимо для бетонов на пластифицированных, гидрофобных, пуццолановых и шлаковых портландцементах; длительность выдерживания зависит от активности вяжущего и составляет 2...4 ч.

Время предварительного выдерживания уменьшается при повышении марки цемента, температуры окружающей среды и понижении водоцементного отношения. От предварительного выдерживания можно отказаться при использовании ускорителей схватывания, жестких смесей, герметичных форм, при тепловой обработке с длительным периодом подогрева (рис. 4.1, а, режим I). Не предусмотрено предварительное выдерживание также в случае тепловой обработки с механическим пригрузом в малонапорных и индукционных камерах, кассетных установках, при применении разогретых бетонных смесей.

Скорость прогрева бетонных изделий зависит от начальной прочности бетона, пластичности бетонной смеси, размеров и модуля открытой поверхности:

Начальная прочность бетона, МПа	0,1...0,2	0,2...0,4	0,4...0,5	0,5...0,6	>0,6
Скорость подъема температуры среды в камере, °С/ч	10...15	15...25	25...35	35...45	45...60

При тепловой обработке распалубленных изделий и изделий в формах с большим модулем открытой поверхности поднимать температуру среды рекомендуется в прогрессивно возрастающем темпе. Независимо от толщины изделия в первый час подогрева скорость подъема температуры назначают 10...15, второй 15...25, третий 25...35 °С/ч.

Скорость подъема температуры для бетонов на легких заполнителях несколько выше, чем для тяжелых бетонов. При наличии внешнего давления скорость подъема температуры может быть больше. Так, при автоклавной обработке плотных бетонов скорость подъема температуры до 174 °С составляет 80 °С/ч, до 200 °С – 100...140 °С/ч.

Введение изотермического выдерживания при 100 °С между I и II периодами нагрева изделия в автоклаве способствует устранению деформаций в материале при твердении. Если автоклавной обработке подвергаются пено- и газобетоны с сильно пористой структурой, то обычно выбирается меньшая скорость подъема температуры (20...40 °С/ч), что объясняется различием тепло-физических и технологических свойств плотного и ячеистого бетона.

Длительность изотермического выдерживания в основном зависит от жесткости бетонной смеси и от температуры выдерживания. При атмосферном давлении и невысоких температурах (до 60 °С) при использовании пластичных подвижных смесей время изотермической выдержки доходит до 18...20 ч. Для жестких смесей это время сокращается вдвое, повышение температуры от 60 до 100 °С уменьшает этот период еще в 4...5 раз, доводя его до 2 ч. При автоклавной обработке и повышении давления до 1,6...2,5 МПа нагрев изделий и изотермическое выдерживание могут происходить в течение короткого времени, что дает возможность весь цикл сократить до 6...8 ч.

Максимальная температура изотермического прогрева зависит от вида вяжущего: для портландцементов ее принимают равной 80...85 °С, для шлаковых и пуццолановых портландцементов 90...95 °С.

При хорошей теплоизоляции тепловых установок возможно применение «пикового» режима (рис. 4.1, а, режим III), при котором в период изотермического выдерживания подача теплоносителя в установку не производится, что позволяет значительно экономить тепловую энергию. Снижение температуры в установке составляет 3...5 °С/ч (в зависимости от толщины и качества теплоизоляции), но в изделиях температура остается практически постоянной благодаря экзотермическим реакциям в твердеющем бетоне.

Допускаемая скорость снижения температуры колеблется в пределах 25...50 °С/ч в зависимости от полученной прочности и толщины изделия. Перепад температур между поверхностью изделий и окружающей средой не должен превышать 40 °С.

При охлаждении изделий, как и при нагреве, возникает нестационарное температурное поле, но поток теплоты направлен из изделия. Поэтому необходимо учитывать требования к допустимым температурным перепадам, регулировать длительность охлаждения, а для массивных изделий применять ступенчатые режимы обработки. Быстрое снижение температуры вызывает значительные температурные градиенты, при которых температура внутри изделия значительно выше, чем на его поверхности. При этом наблюдается также интенсивная миграция влаги с образованием в материале длинных открытых пор и капилляров. Резкое снижение температуры в автоклаве сочетается с одновременным падением давления, создавая добавочный градиент давления grad p центр – поверхность и усиливая поток влаги к поверхности. При этом во внутренних порах изделий возникает явление «вторичного вскипания».

Тепловая обработка бетонов в герметически закрытых формах, позволяет предохранить бетон от значительных потерь воды и обработать его паровой средой, создаваемой испаряющейся из него влагой. Малые свободные размеры герметичной формы обусловливают быстрое заполнение свободного объема выделяющимся паром, относительно равномерный прогрев всей массы бетона и качественную его обработку.

Применение для тепловой обработки дымовых газов с непосредственным их соприкосновением с изделиями требует большого внимания на всех этапах обработки, так как высушивания бетонов допускать нельзя. Бетоны покрывают защитными покрытиями, увлажняют паром или распыленной водой. Если в конце обработки необходимо понизить влажность бетона, то процесс может быть двухстадийным: вначале – обработка в камере паром, а после основного твердения – подсушивание дымовыми газами до заданной влажности. При пропари-вании изделий, прикрываемых во избежание тепловых и влажностных потерь металлическим или резиновым листом или полиамидной пленкой, общий цикл обработки сокращается на 15...20 %, соответственно возрастает прочность бетона.