4.2.3. Тепло и массообмен при тво

Внешний тепло- и массообмен определяет условия взаимодействия насыщенного пара, который подается в установку, и изделия, подвергаемого тепловлажностной обработке. От условий взаимодействия насыщенного пара с изделием зависит скорость нагрева изделия и степень его увлажнения с поверхности, а также темпе­ратурное поле в установке для тепловлажностной обра­ботки изделий. Для анализа условий внешнего тепло- и массообмена по боковой и нижней граням материала (см. схему на рис. 4.27) проведем оси координат X—Y.

Внешний тепло- и массообмен при нагреве материала. Отложим на оси X (рис.4.28, а) расстояние от материала до стенки установки, а на оси Y, по по­верхности материала,— давление в установке Р. До поступления пара в установке находился воздух, поэто­му давление в ней, если она не полностью герметична, будет равно атмосферному Р_у.

Рис. 4.27. Схема установки для тепловлажностной обработки(периоды нагрева и изотерми­ческой выдержки) 1-установка; 2-материал.

Подадим пар в установ­ку (условие неполной герметичности сохраняется). В этом случае общее давление в установке Р_у по прежне­му должно быть равно атмосферному и будет складываться (см. рис.4.28, а) из парциального давления водя­ного пара Р'_п и парциального давления воздуха Р'_в:

Поступающий пар, попадая на более холодную по­верхность материала, конденсируется. Вместе с паром к поверхности, где он конденсируется, поступает воздух. Парциальное давление пара у этой поверхности снижается до при общем неизменном давлении в установке. Парциальное давле­ние воздуха здесь возрастает до .

При этом > , а < . В соответствии с парциаль­ным давлением пара на поверхности материала на стороне пленки, обращенной к паровоздушной смеси (рис. 4.28,б), будет температура t_ж, приближающаяся к температуре насыщения t_н при парциальном давлении пара Р"_п. При толщине пленки конденсата на поверхно сти материала δ удельный поток теплоты q_т к материа­лу будет равен

где λ - теплопроводность водяной пленки; — температура по­верхности материала в координате времени; t_ж - температура пленки конденсата.

Рис. 4.28 Схема нагрева материала паром а - давление в установке; б - температура в установке; δ — толщина пленки конденсата на поверхности; и - парциальное давление пара в установ­ке и у поверхности пленки конденсата; и -парциальное давление воздуха в установке и у поверхности пленки конденсата; t_пс - температу­ра паровоздушной смеси; t_ж - температура пленки конденсата, обращенной к установке; t_пм— температура поверхности материала

Пленка конденсата на поверхности материала резко снижает коэффициент теплоотдачи, а следовательно удельный поток теплоты к материалу от паровоздушной смеси . За все время нагре­ва материала паром удельный поток массы пара, кон­денсирующегося на поверхности, можно определить по формуле

где - коэффициент массообмена при конденсации; - парциальное давление водяного пара в установке; - парциальное дав­ление пара у поверхности изделия.

Согласно теории теплопередачи, должен скла­дываться из теплоты парообразования, отдаваемой ма­териалу паром при его конденсации, и теплоты, отдава­емой материалу средой, вследствие разности температур между паровоздушной смесью и пленкой конденсата.

Теплота, отдаваемая паром при конденсации q_тп, может быть подсчитана как произведение теплоты паро­образования r на удельную массу конденсирующего па­ра q_п по формуле

Дополнительный перенос теплоты от паровоздушной смеси к пленке конденсата - удельный поток теплоты q_тср - определяют по формуле

где - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к по­верхности пленки конденсата; - средняя температура паровоз­душной смеси и — температура пленки конденсата, обращенная к паровоздушной смеси (смотреть рисунок 4.28, б).

Необходимо отметить, что t_пс в установке не одина­кова и является функцией парциального давления пара, которое изменяется по кривой, приведенной на рисунке 4.28,б.

Коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси α_см при естественной циркуляции может быть опреде­лен по формуле для сплошных плит, расположенных горизонтально:

откуда коэффициент теплоотдачи

где Ga, Рг, К - критерии Галилея, Прандтля, Кутателадзе; t_c и Т_ст - температура среды и абсолютная температура сухого термометра; λ_пл - коэффициент теплопровод­ности пленки конденсата; h - высота (толщина) плиты при ее го­ризонтальном расположении; φ - относительная влажность паро­воздушной смеси в долях единицы.

Для других материалов и условий α_см может быть взята из справочников.

Внешний тепло- и массообмен в период изотер­мической выдержки. При изотермической выдержки центральные слои материала нагреваются за счет теплоты пара, конденсирующегося на изделие. При завершении выдержки пленка конденсата полностью испаряется с поверхности материала, а сам материал теряет значительную часть влаги.

Удельный поток массы-влаги q_m, испаряемой с по­верхности в период изотермической выдержки, находят по формуле

где - коэффициент массообмена при испарении; - парциальное давление пара у поверхности изделия при температуре мокрого термометра; - парциальное давление водяного пара в установке; В_о — барометрическое давление при нормальных физиче­ских условиях; В' — барометрическое давление, существующее в ус­тановке.

Удельная теплота q_ти, затрачиваемая на испарение, может быть подсчитана с неко­торым приближением, как произведение теплоты парообразования r на удельную массу испаряемой влаги q_ив (здесь не учтен расход энергии на преодоление сил, удерживающих влагу на поверхности материала):

Приведенные формулы позволяют определить удель­ные потоки массы и теплоты и описывают таким обра­зом условия внешнего тепло- и массообмена в период изотермической выдержки.(перегудов, роговой)

Внешний тепло- и массообмен при тепловлажностной обра­ботке бетона вызывает обязательную передачу теплоты и мас­сы внутри изделия (внутренний тепло- и массообмен).

Основной задачей при изучении внутреннего тепло- и массообмена при тепловлажностной обработке является определение удельных потоков теплоты и массы. Удельный поток теплоты внутрь материала от нагретой и дополнительно увлажняемой поверхности

где — теплопроводность влажного материала; — градиент температуры; i — удельное теплосодержание потока массы; q_т — плотность удельного потока массы.

Как установлено исследованиями, суммарный поток массы в материале складывается из частных потоков, вызываемых градиентами влагосодержания , температуры , и давления [9].

Внешний тепло- и массообмен в период охлаж­дения. В этот период прекращается подача пара в установку и активно подается воздух из окружающей среды. Воздух охлаждает материал и нагревается сам.

Рис. 4.29. Схема установки для тепловлажностной обработки

1 - установка; 2- материал; t_цм, U_цм и t_пм, U_пм - температуры и влагосодержание в центре и на поверхности материа­ла; В — подача воздуха; О.В. — от­бор отработанного воздуха; К—от­бор конденсата;

Рис. 4.30. Схема охлаждения материала воздухом 1-материал; 2 - материал; и - парциальное давление воздуха у поверхности материала и в установке; и - парциаль­ное давление пара у поверхности материала и в установке; t_пм - температура поверхности материала; t_у =f( )-температура паровоздушной смеси.

При испарении влаги с поверхности материала ее температура понижается и происходит охлаждение. В установке понижается парциальное дав­ление водяного пара. Проведем опять оси координат X—У соответственно через боковую и нижнюю грани ма­териала и вынесем их на отдельный рис. 4.30. По оси X отложим расстояние от материала до стенки уста­новки, а по оси У — давление (рис. 4.30, а) и температуру (рис. 4.30,б). При неполной герметичности установки об­щее давление в ней Р_у остается равным атмосферному. За счет вентиляции в самой установке парциальное давление пара резко снижается и становится меньше, чем парциальное давление пара у поверхности мате­риала. Появляется разность парциальных давлений - , а следовательно, и разность потенциа­лов, которая заставляет влагу испаряться с поверхности материала. Температура поверхности материала t_пм начинает снижаться и стремится к температуре установ­ки t_y, которая тоже снижается. Одновременно снижается и влагосодержание поверхности материала U_пм.

Удельный поток массы влаги q_m в период охлажде­ния может быть рассчитан по формуле (4.34), приведен­ной для определения частичного испарения в зоне изотермической выдержки [5].

Внутренний тепло- и массообмен в период на­грева материала.

Рис. 4.31. Схема возникновения в материале градиентов температур и влагосодержаний

а и г - соответственно линии изопотенциальных поверхностей температур и влагосодержаний; б - схема образования градиента температур ∇T и потока теплоты ; в - схема образования частного потока массы , за счет термовлагопроводности; д - схема образования градиента влагосодержания ∆U и частного потока массы .

Рассматривается образец материала в виде модельного параллелепипеда, не заключенный в форму (открытый со всех сторон) (см. рис. 4.31). Как бы­ло установлено при рассмотрении внешнего тепло- и мас­сообмена, вследствие конденсации пара поверхность ма­териала получает теплоту и влагу, за счет которых нагревается с увеличением влагосодержания. По сечению образца создается перепад температур и влагосодержа­ний: t_пм>t_цм и U_пм>U_цм; ∆t = t_пм- t_цм и ∆U= U_пм-U_цм.

Представим на рис. 4.2.16, а созданный перепад темпе­ратур в виде изотермических поверхностей по сечению модельного параллелепипеда. Для этих изотермических поверхностей можно записать, что t_пм>(t+∆t) >t>(t-∆t) > t_цм

На рис. 4.2.16, г представим созданный пе­репад влагосодержаний в виде изовлаг также по сече­нию модельного параллелепипеда. Для этих изовлажностных поверхностей запишем что U_пм>(U+∆U)>U>(U-∆U)>t_цм .Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали lim(∆t/∆n)_n→0 называют температурным градиентом, который обозначают одним из следующих символов: ∂t/∂n=∇T = grad Т. Аналогич­но предел отношения изменения влагосодержания к рас­стоянию между изовлагами по нормали lim(∆U/∆n)_n→0= ∂U/∂n=∇T является градиентом влагосодержания. ∇T и ∇U соответственно являются градиентами потен­циала переноса теплоты и влаги и выражаются вектор­ными величинами, за положительное направление кото­рых принято считать идущее в сторону возрастания потенциалов. Градиент потенциала переноса теплоты ∇T и градиент потенциала переноса влаги ∇U вызывают по­ток теплоты и поток влаги в противоположном от градиентов потенциала переноса направлении, что и по­казано соответственно на схемах, приведенных на рис. 4.31,б и 4.31, д.

За счет градиента потенциала переноса теплоты ∇T, вместе с передачей теплоты (удельный поток теплоты ) возникает еще и поток вла­ги , названный термовлагопроводностью (рис. 4.31,в). Этот поток влаги так же, как и , входит как одна из частных составляющих в общий удельный поток мас­сы и является векторной величиной, направленной в про­тивоположную вектору ∇T сторону. Следовательно, при нагреве и увлажнении материала с поверхности теплота и влага будут распространяться внутрь материала. Вла­га, двигаясь внутрь материала, частично сжимает воздух, находящийся в капиллярах, а частично выдавливает его из материала, занимая освободившийся объем пор. Внут­ри материала появляется избыточное давление, которое увеличивается за счет испарения влаги в пузырьки воз­духа, оставшиеся в материале. По мере подогрева мате­риала кроме испарения влаги в пузырьках воздуха рас­ширяется сам воздух, также увеличивая давление.

Для представления о механизме появления в бетоне избыточного давления рассмотрим пузырек воздуха, во­влеченный бетоном из окружающей среды при формова­нии. Формуют бетонное изделие в цехе, где относительная влажность среды φ_ср<100 %. Давление в окружающей среде — Р_ср — атмосферное ≅ 0,1 МПа слагается из парциального давления воздуха Р'_в и пар­циального давления водяных паров Р'_вп, т.е.

С этими параметрами пузырьки воздуха и попадают в бетон.

Кроме указанных причин на возникновение избыточ­ного давления в бетоне влияют явления контракции. Чтобы установить численные характеристики избыточно­го давления необходимо знать количество влаги, испа­рившейся в пузырек воздуха, и температурное поле мате­риала. Количество такой влаги может быть определено по I-d-диаграмме.

Рис. 4.32. Схема перепадов влагосодержаний между центром и по­верхностью материала в процессе тепловлажностной обработки

U_п и U_ц - влагосодержание на поверхности и в цент­ре материала; М - максималь­ное влагосодержание на по­верхности материала; N - точка выравнивания влагосодержания на поверхности и в центре материала; I, II, III- периоды тепловлаж­ностной обработки

При ТВО происходят перепады влагосодержания, температуры и давления. Рассматривая пе­репады влагосодержаний ∆U между влагосодержанием поверхности U_п и влагосодержанием центра U_ц бетонно­го изделия, отметим: в период подогрева влагосодержание поверхности U_п быстро возрастает и достигает свое­го максимального значения в точке М (рис.4.32). Влагосодержание центра возрастает медленнее. Перепад влагосодержаний растет. Начиная с точки М перепад влагосодержаний уменьшается. Во втором периоде при изотермической выдержке в точке N влагосодержание центра и поверхности выравнивается. Далее, как было показано при рассмотрении внешнего тепло- и массообмена, с поверхности начинает испаряться влага, и влаго­содержание поверхности несколько снижается. Появля­ется незначительный перепад влагосодержаний, но уже обратного знака. В третий период, при охлаждении, вла­госодержание поверхности быстро снижается. Постепен­но за счет передвижения влаги к поверхности снижается влагосодержание центра. Перепад влагосодержаний сно­ва возрастает.

Возникающие при тепловлажностной обработке пере­пады между температурами на поверхности и в центре материала показаны схематично на рис. 4.33. Поверх­ность материала за счет конденсации пара нагревается и к концу первого периода достигает температуры, рав­ной температуре паровоздушной смеси в установке. Цен­тральные слои материала под действием внутреннего тепло- и массообмена нагреваются медленнее и достига­ют температуры паровоздушной смеси в установке во втором периоде (в точке К).

Рис. 4.33. Схема перепада темпера­тур между центром и поверхностью материала при тепловлажностной обработке

Т_п и Т_ц - темпера­туры на поверхности и в центре материала; К - точка выравнива­ния температур; I, II, III - пери­оды тепловлажностной обработки

Местоположение точки К нестабильно и зависит от тепло- и массопроводности ма­териала. Перепад температур между поверхностью и центром материала возрастает до конца первого перио­да. Во втором периоде он снижается до точки К. В точ­ке К температуры на поверхности и в центре материала равны. Начиная с точки К температура в центре Т_ц не­сколько опережает температуру на поверхности — на 2— 3°С за счет изотермии. Температура на поверхности из­делия, соприкасающейся со средой, остается постоянной и равной температуре паровоздушной смеси в установке. Таким образом, в точке К появляется небольшой пере­пад температур, но уже обратного знака. Этот перепад ∆T остается и увеличивается в третьем периоде при ох­лаждении.

Рис. 4.34. Схема перепада давлений между центром и поверхностью ма­териала при тепловлажностной об­работке

Р_п и Р_ц - с давление на поверхности и в центре мате­риала; I, II, III - периоды тепло­влажностной обработки

На рис. 4.34 проведена сплошная линия, параллель­ная оси (время), показывающая атмосферное давление Р_а, существующее в установке, а следовательно, и на по­верхности материала во все периоды тепловлажностной обработки. Таким образом, кривая давлений свидетель­ствует только об изменении давления в центре материа­ла. Перепад давления между центром и поверхностью материала, как видно из схемы, также непостоянная ве личина. В I период приблизительно до середины перио­да нагрева она возрастает, потом начинает убывать.

Изменение давления в процессе тепловлажностной обработки заключается в следующем: сначала за счет повышения температуры внутреннее давление возраста­ет по механизму, рассмотренному ранее. По мере продви­жения влаги внутрь изделия воздух диффундирует из изделия в окружающую среду. К середине первого периода в основном только гелиевые капилляры остаются запол­ненными воздухом. Влага туда не проникает. С потерей воздуха материалом избыточное давление снижается. Это снижение продолжается до конца второго периода. В третий период, наоборот, из материала уже испаряет­ся значительное количество влаги, ее место занимает прорывающаяся из пограничной зоны паровоздушная смесь в виде пузырьков.

Попадая в более нагретый материал пузырьки нагре­ваются, относительная влажность в них снижается. Про­исходит испарение влаги в эти пузырьки по механизму, описанному выше, и давление внутри бетона снова, хо­тя и незначительно, возрастает. По мере охлаждения ма­териала оно постепенно снижается, что и показано на рис. 4.34. Следовательно, перепад давлений ∆Р сначала возрастает, далее в конце первого периода и во втором периоде снижается почти до нуля и в третий период сна­чала увеличивается, а потом снова снижается.

Все изложенное позволяет для материала, подвергаемого тепловлажностной обработке без формы в камере при атмосферном давлении, представить характерные перепады влагосо­держаний ∆U, температур ∆T и давлений ∆Р между цен­тральными и поверхностными слоями по периодам теп­ловлажностной обработки.

По перепадам ∆U, ∆T и ∆Р для любого момента вре­мени можно, как было показано выше, определить на­правление векторов ∇U, ∇T , ∇Р и q^в_mu, q^в_mt, q^в_mp и про­вести анализ состояния материала.

Внутренний тепло- и массообмен в период изо­термической выдержки. Рассмотренные направления пе­ремещения теплоты и массы внутри материала в период нагрева практически не меняются до точек N и К. Од­нако во второй период интенсивность их перемещения уменьшается. Начиная с точек N и К изменяются нап­равления потоков теплоты и массы за счет ∇T и ∇ U на обратные, их интенсивность также снижается. Поток те плоты и массы за счет ∇P по направлению остается прежним, но интенсивность его все время снижается.

Если представить направление векторов частных по­токов массы q^в_mu, q^в_mt и q^в_mp, то можно заметить, что все они направлены к поверхности, однако величина их очень незначительна, поэтому при изотермической выдержке в процессе тепловлажностной обработки бетона и наблю­дается частичное испарение влаги из материала.

Внутренний тепло- и массообмен в период ох­лаждения. В период охлаждения пар не подается. Через установку пропускают воздух из атмосферы. Он асси­милирует влагу, сам насыщается до φ≈100 % и выбра­сывается из установки. За счет испарения влаги и омывания более холодным воздухом поверхности модельно­го параллелепипеда охлаждаются. В центре материал остывает медленнее, кроме того, продолжаются экзотер­мические реакции гидратации, которые за счет выделе­ния теплоты увеличивают развивающийся перепад темпе­ратур между центром и поверхностью материала. Этот перепад T в процессе охлаждения постепенно возраста­ет. Испарение влаги с по­верхности ведет к уменьшению ее влагосодержания. Хо­тя влага и диффундирует в этот период к поверхности, однако перепад влагосодержаний ∆U растет.

Во время охлаждения наблюдается незначительный рост внутреннего давления. Он идет за счет замещения влаги, испаряющейся из материала, возду­хом. Воздух, поступая в более нагретые слои материа­ла, нагревается, из-за нагрева давление его несколько возрастает. Кроме того, опять в соответствии с рассмот­ренным ранее механизмом влага испаряется в образовав­шиеся пузырьки, что также увеличивает внутреннее дав­ление.

Направление векторов частных потоков массы q^в_mu, q^в_mt, q^в_mp в период охлаждения остается таким же, как и во втором периоде. Все частные потоки массы направ­лены к поверхности, с которой испаряется влага.

Напряженное состояние материала при ТВО. При изменении влагосодержания капиллярно-порис­тые коллоидные тела изменяют свои размеры. С умень­шением влагосодержания частицы материала сближаются и материал дает усадку. С увеличением влагосодер­жания частицы материала раздвигаются, и материал увеличивается в размерах - набухает. Определяющее влияние на характер усадки и набухания оказывают формы связи влаги с материалом. Наименьшая усадка и на­бухание соответствуют физико-химически связанной влаге, наибольшая физико-механической.

Сами по себе усадка и набухание напряженного со­стояния не вызывают. Однако из-за неравномерного рас­пределения влаги по материалу, по отдельным его сло­ям, возникает различная степень набухания или усадки, что приводит к развитию напряжений в материале. На­пряженное состояние создается также за счет неравно­мерного удлинения различных слоев материала, вызыва­емых перепадами температуры по поперечному сечению. Такое состояние развивается в материале во всех на­правлениях и, следовательно, является функцией трех ко­ординат. Анализируя напряжения в одномерном поле, можно с не­которым приближением представить картину напряжен­ного состояния для подвергаемого тепловлажностной об­работке материала.

Влажностные напряжения в материале. Для объяснения напряженного состояния возьмем не­ограниченную пластину и условно вырежем из нее пла­стинку ограниченной длины - l₀. По середине длины пла­стинки проведем ось X, через центр — ось У, вниз и вверх (рис. 4.35,а). По оси X отложим толщину пластинки — 2х, по оси У— влагосодержание. Влагосодержание в на­чальный момент времени по толщине пластинки одинако­во и равно в условном масштабе величине U. Предполо­жим, что эта пластинка состоит из бесконечно тонких, не связанных друг с другом полосок, что и показано на рис. 4.35,а. Через какое-то время 𝜏₁ в результате тепло и массообмена при тепловлажностной обработке влаго­содержание на поверхности пластинки достигло значения U_п. Влагосодержание центрального слоя U_ц осталось по­ка прежним и равно U. Поле влагосодержаний пластин­ки будет выражаться параболой U_п , U_ц , U_п, что и пока­зано на рисунке.

За счет способности к набуханию каждая полоска пластинки должна измениться в длине пропорционально увлажнению l_п=f(U). При этом длина средней полоски l_ц останется равной l₀. Все другие полоски увеличивают­ся в длине пропорционально влагосодержанию. Следовательно, если пластинка состоит из полосок, не связан­ных между собой, то ее конфигурация в момент времени τ₁ должна соответствовать фигуре, представленной на рис. 4.35,б. В действительности материал представляет собой единую целую пластинку, которая при указанном увлажнении достигает окончательной длины l_к (рис. 4.35,в). Из рисунка видно, что поверхностные слои увеличились в размере меньше, чем должны были, а цент­ральные больше. В пластине появилось напряженное со­стояние: поверхностные слои испытывают напряжения сжатия, а центральные — растяжения. Одновременно в пластине будут два слоя К и N, удлинение которых при набухании соответствует влагосодержанию. Эти слои на­зывают нейтральными.

Рис. 4.35. Напряженное состояние пластины от разности влагосодержаний

l₀ -начальная длина пластины при одинаковом влагосодержаний U_п и U_ц равном U; l_п и l_ц - длина пластинок для поверхностных и центральных слоев при l=f(U); l_к - конечная действительная длина пластины

Ни растягивающие и ни сжимающие напряжения, не приводят к нарушению це­лостности структуры материала. Материал растрескивается в том случае, если возникающие из-за сжимающих и растягивающих напряжений касательные напряжения превысят допустимые для данного материала в данный момент времени. Необходимо помнить, что в процессе тепловлажностной обработки бетон набирает прочность и, следовательно, в различное время от начала обработ­ки бетон может выдерживать различное напряженное со­стояние.

Тепловые напряжения в материале. При нагре­ве или охлаждении материал согласно физическим зако­нам, также же как и при увлажнении, изменяется в раз­мерах. Для упрощения анализа принимаем, что измене­ние размеров тела под влиянием температуры идет по линейному закону l_t =l_o(1+βt). В начальный период температурное поле рав­номерное, равное температуре пластины t_ц=t_пл что по­казано на рис. 4.36, а пунктиром. Через какое-то время 𝜏₁ в результате тепло- и массообмена температурное по­ле стало выражаться параболой t_п t_ц t_п Причем увеличи­лась температура поверхностей. Темпеоатура в центре пока осталась неизменной (точка t_п). Если опять пред­ставить пластинку в виде не связанных полосок, то дли­на каждой из них будет зависеть от t, т.е. l_t = f (t).

Рис. 4.36. Напряженное состояние пластины от разности температур

∆t — перепад температур; l_o — начальная длина пластины при одинаковой температуре, равной t_ц; l_п и l_ц - соответственно длина пластинок для по­верхностных и центральных слоев при l_t=f(t); l_k- конечная, действитель­ная длина пластины

Если учесть, что полоски связаны друг с другом, то пластинка в общем получает общее удлинение ∆l, и ее длина становится равной l_К=l₀+∆l. Следовательно, по­верхностные слои удлинились меньше, чем были должны, а внутренние - больше. В пластинке появилось напряженное состояние, но уже за счет неравномерности тем­пературного поля. При этом поверхностные слои испыты­вают напряжения сжатия, а центральные — растяжения. И опять в пластине будут не испытывающие напря­жения нейтральные слои К и N. Таким образом, вслед­ствие температурных напряжений в материале также воз­никают касательные напряжения, способные нарушать структуру материала, если его прочностные характери­стики в данный момент не смогут им противоборствовать.

Напряженное состояние материала за счет пе­репада давлений. Неоднородное поле давлений в мате­риале, так же как и перепады влагосодержаний и тем­ператур, создает в материале напряженное состояние. Возьмем аналогичную пластинку и нанесем на ней поле давлений (рис. 4.37). Обозначим перепады давлений по толщине пласти­ны ∆Р₁ и ∆Р₂. Они представляют собой приложенную силу, причем разную к каждому слою материала. Такие си­лы в отличие от ранее разобранных схем не удлиняют слои, а стараются сдвинуть один из них по отношению к другому, соседнему. Следовательно, из-за перепадов дав­ления непосредственно образуются касательные напряжения, способные также нарушать структуру материала.

Рис. 4.37. Кривая давлений для периода нагрева пластины

Р_а- атмосферное давление; ∆Р₁ и ∆Р₂ - перепады давлений по слоям пластины, ко­торые вызывают напряженное со­стояние

Таким образом, если определить возникающее напря­женное состояние от ∆U и ∆t, перейти от них к касатель­ным напряжениям, сложить эти касательные напряже­ния с касательными напряжениями, вызываемыми перепа­дом давлений ∆Р, то получим результирующие касательные напряжения, которые могут разрушить структуру материала и даже привести к разрушениям взрывообразного характера.

Тепловлажностная обработка бетона насыщенным паром в открытой металлической форме. Возьмем сформованный бетон в металлической, от­крытой сверху форме и поместим его в установку для тепловлажностной обработки (рис. 4.38 ). Выберем оси координат и представим неограниченную пластину, вы­резанную из этого бетона, в координатах X—У (рис. 4.39,а). Рассматривая такую пластину, отметим, что теп­лотой и массой материал пластины и среда могут обме­ниваться только с открытой поверхности (на чертеже справа) и теплотой — с закрытой, вырезанной вместе с днищем формы. На этой пластине проанализируем условия тепло- и массообмена и возникающее напряженное со­стояние в различные периоды тепловлажностной обра­ботки.

Рис. 4.38. Схема тепловлажностной атмосферном

установки для обработки при давлении

1- установка; 2 - металлическая открытая сверху форма; 3 - свежесформованный бетон; П - подача пара; К - отбор конденсата; X—У - выбранные оси координат

Период нагрева. Конденсирующийся пар на от­крытой поверхности нагревает ее, образует пленку кон­денсата толщиной δ и увлажняет эту поверхность. Ув­лажнения бетона со стороны днища формы 2 не проис­ходит. Пар конденсируется на нем, нагревая его. Днище формы обращено вниз установки, поэтому из условий теории теплоотдачи нагрев со стороны днища будет от­ставать от нагрева открытой поверхности. Для этого слу­чая, если отложить в масштабе по оси Y температуру по толщине пластины в каждой точке, поле температур мо­жет быть представлено кривой Т. Тогда согласно механизму, рассмотренному ранее и представленному на рис. 4.35, конечное удлинение пластины при условии, что она не заключена в форму, должно составить величину l_к, которая и показана на рис.4.39,б.

Отложим также по оси Y в условном масштабе влагосодержание по толщине пластины. Поле влагосодер­жаний для этого случая будет представлено кривой U. Согласно механизму, представленному на рис. 4.36, ко­нечная длина пластины, не заключенной в форму, должна составить l_к1, что и показано на рис. 4.39, в. Следова­тельно, общая длина пластины, если бы она не находи­лась в форме, должна была стать равной [l_о+(l_к—l_о)+(l_к1—l_о)]. Однако жесткая форма с бортоснасткой пре­пятствует удлинению пластины, воздействует на матери­ал в различных сечениях по высоте изделия (толщина пластины 2х) с различной силой, равной суммарному уд­линению (рис. 4.39,б и 4.39,в). Взаимодействие этих сил влияет на формирующуюся структуру материала (бето­на). Если силы, возникающие в материале в данный момент времени, будут превышать структурную прочность материала, то эта структура будет нарушаться.

Рис. 4.39. Схема полей температур, влагосодержаний давлений, и вызываемо­го ими напряженного состояния для случая, показанного на рис. 4.38

1- материал; 2 - днище формы; l_о - размер формы; 1_к- конечный размер изделия, если бы оно не было заключено в форму; U, Т, Р - линии полей распределения влагосодержания, температуры и давления в пластине; δ —толщина пленки конденсата

При нагреве возникает напряженное состояние и от перепадов давления по толщине изделия. Поле давлений по толщине неограниченной пластины 2х, в условном масшта­бе кривой Р, расположенной над линией атмосферного давления Р_а = 0,1 МПа. Перепады давлений создают по­тенциальные напряжения, причем открытая поверхность бетона испытывает при более высоком перепаде давле­ний и более высокие напряжения. Все это может приво­дить к возможным нарушениям структуры — растрески­ванию материала с поверхности, что позволяет сделать вывод: бетон в форме находится в напряженном состоя­нии. Это напряженное состояние различно по поперечно­му сечению и особенно неблагоприятно для открытой поверхности. Кроме того, чем больше толщина изделий, тем больше напряженное состояние.

Изложенное справедливо для «выдержанного» бето­на, имеющего к моменту тепловлажностной обработки некоторую прочность. Свежесформованный бетой проч­ности не имеет, при его нагреве слои легко могут пере­двигаться по отношению друг к другу. Однако при нагреве эта структурная прочность начинает формироваться, и передвижение слоев также в значительной мере нару­шает способность бетона к формированию структурной прочности.

Изотермическая выдержка. Как показано на рис. 4.32, 4.33, 4.34 в период изотермической выдержки снижаются перепады температур и влагосодержаний. В точках N и К они переходят через ноль с дальнейшим очень незначительным ростом, но уже с обратным зна­ком. Следовательно, напряженное состояние от ∆T и ∆U практически постепенно исчезает. Снижаются перепады давлений, что также значительно уменьшает напряжен­ное состояние, поэтому в период изотермической выдерж­ки можно считать напряженное состояние практически незначительным, и именно в это время за счет глубин­ной гидратации зерен цементного клинкера бетон в ка­кой-то мере может «залечивать» нарушения целостности структуры, одновременно наращивая прочность.

Период охлаждения. В период охлаждения ис­парение влаги с открытой поверхности бетона резко воз­растает. Со стороны днища формы с металла испарение влаги происходит только в первый момент. Следова­тельно, охлаждение днища без расхода теплоты на паро­образование идет значительно медленнее. Это состояние, характеризуемое перепадами температур и влагосодер­жаний, покажем на неограниченной пластине для вы­бранного в середине периода охлаждения времени 𝜏₁ (рис. 4.40). На рис. 4.40, а в соответствии с рис. 4.32, 4.33 и 4.34 показаны распределение температурного поля, поля влагосодержаний и поля давлений по толщине пластины, вызывающее соответствующие частные по­токи массы q^в_mu, q^в_mt, q^в_mp, заставляющие влагу в основ­ном перемещаться к поверхности испарения. В соответ­ствии с полями температуры и влагосодержаний на рис. 4.40,б и 4. 41, в построены кривые изменения размеров пластины по ее толщине.

За счет уменьшения влагосодержания U и темпера­туры Т при испарении влаги и охлаждении пластина уменьшается до каких-то действительных размеров с уменьшением влагосодержания до l_uд и за счет снижения температуры до l_tд.

Рис. 4.40. Схема полей температур, влагосодержаний, давлений и вызываемо­го ими напряженного состояния

1 -днище формы; 2 - материал; поля температур Т, влагосодержаний U и давлений Р; ∇T, ∇U, ∇P - направление векторов градиентов; q_mt, q_mu, q_mp -направление векторов частных потоков массы; l_о - размер формы; l_u =f (U) и l_t =f (T) длины пластины по сечениям в зависимости от распределения влагосодержаний и температур; l_u∂ и l_u∂ —действительные пластины при испарении влаги и охлаждении

В целом размер пластины уменьшается на величину (l_о—[( l_о — l_uд ) + (l_о — l_tд)]) и сцепление формы с матери­алом в период охлаждения нарушается. Однако и за счет ∆U и ∆T усадка пластины не соответствует усадке отдельных слоев и в пластине возникает напря­женное состояние, уже не связанное с формой. Слои, об­ращенные к поверхности, испытывают наибольшее нап­ряжение сжатия, к ним добавляется и напряженное со­стояние от перепадов давления. Если усилить темп ох­лаждения, то эти напряжения будут возрастать. Таким образом в период охлаждения бетона, пропариваемого в открытой форме, возникает напряженное состояние, которое можно снижать только более медленным охлаж­дением. Иногда даже применяют медленный ступенчатый режим охлаждения.

Рис. 4.41. Схема полей температур, влагосодержаний и давлений при нагреве бетона в форме, закрытой металлической крышкой

1 - материал; 2 - днище формы; 3 - крышка формы; U, Т, Р - кривые распределения влагосодержания, температуры и давления по материалу; ∇U, ∇T, ∇P - направление векторов градиентов; q_mt, q_mu, q_mp -направление векторов частных потоков массы; Т₁, U₁, P₁-действительное распределение влагосодержания, температуры и давления по материалу

Тепловлажностная обработка бетона насыщенным паром в закрытой металлической форме. Для сравнения рассмотрим тепловлажностную обра­ботку бетона в той же форме, но закрытой металличес­кой крышкой. Поместим такое изделие в установку для тепловлажностной обработки при атмосферном давлении по схеме (рис. 4.38) и представим неограниченную пла­стину, вырезанную из этого бетона в координатах X—Y на рис. 4.41.

Период нагрева. Различные условия теплообме­на при конденсации пара на поверхности крышки 3, об­ращенной вверх, и днища формы 2, обращенной вниз, вызывают разницу в их нагреве, которую оценивают в 5—10 °С. Эта разница в условном масштабе и нанесена на рис. 4.41 при построении кривой поля распределения температур (Т). За счет несколько различного, но дву­стороннего нагрева появляются перепады температур ∆Т₁ и ∆Т₂, вызывающие за счет термовлагопроводности соответствующие частные потоки массы и на­правленные к центральным слоям неограниченной пла­стины (изделия). Влага, распределенная в бетоне, при формовании равномерно за счет потоков передви­гается к центру изделия и создает более высокое увлажнение центральных слоев материала. Кривая распределения поля влагосодержания по толщине (U) при­нимает также не симметричный вид и нанесена на рис. 4.41. Появившиеся перепады влагосодержаний ∆U₁ и ∆U₂ вызовут соответствующие частные потоки массы и направленные соответственно к крышке 3 и к днищу 2, которые стремятся выровнять влагосодержа-ние по толщине пластины.

В теле бетона, согласно рассмотренному ранее меха­низму, образуется избыточное давление. Поле распреде­ления давлений внутри материала будет описываться кривой Р. Для наглядности оно заштриховано. На по­верхности бетона, обращенной к крышке, между атмос­ферным давлением 0,1 МПа и давлением на поверхности бетона за счет сопротивления крышки образуется пере­пад ∆P₁ аналогичный перепад давлений ∆P₂ возникает между днищем и прилегающим слоем бетона. Перепады давлений определяют их градиенты, показанные и обоз­наченные на рисунке в виде векторов ∇P₁, ∇P ₂, ∇P ₃ и ∇P ₄, которые вызывают частные потоки массы , , и также показанные на рис. 4.41.

Частные потоки массы , , приводят к слож­ным распределениям полей влагосодержания, температур и давлений, которые и подтверждаются опытными дан­ными. Эти кривые нанесены на рис. 4.41, б в произволь­ном масштабе, отражающем только их физический смысл. В соответствии с кривыми полей температур и влагосодержаний можно по принципу, рассмотренному ранее, представить характер изменения длины пластины по поперечному сечению. В бетоне, находящемся в форме с закрытой крышкой по сравнению с бетоном в форме с от­крытой крышкой, напряженное состояние значительно меньше. Поэтому скорость нагрева при тепловлажностной обработке бетона в форме с закрытой крышкой мо­жет быть значительно выше.

Изотермическая выдержка. В период изотерми­ческой выдержки поля температур и влагосодержаний сначала постепенно выравниваются, а далее перепады температур и влагосодержаний меняют свой знак по от­ношению к перепадам температур и влагосодержаний во время подогрева. Однако эти перепады незначительны, поэтому изотермическую выдержку практически можно считать периодом постепенно снятия напряженного со­стояния.

Период охлаждения. Так как бетон закрыт от прямого контакта с воздухом, поступающим в установ­ку в период охлаждения, то прямого испарения с поверх­ности не происходит. Бетон в форме охлаждается мед­леннее и, следовательно, возникающие перепады темпе­ратур, влагосодержаний и давлений значительно меньше, чем при охлаждении бетона в открытой форме или на поддоне. В период охлаждения с поверхности, обра­щенной вверх, теплоотдача идет несколько быстрее, чем с поверхности, обращенной вниз. Поле температур пред­ставляется в виде несимметричной параболы, обращен­ной максимумом вверх. Такое распределение температур­ного поля заставляет влагу передвигаться к закрытой крышкой поверхности и к днищу формы, увеличивая влагосодержание именно этих слоев бетона. Однако это уве­личение влагосодержаний поверхностных слоев характе­ризуется по сравнению с тепловлажностной обработкой в открытой форме значительно меньшим перепадом вла­жности, что приводит к созданию значительно менее на­пряженного состояния.

Так как удаление влаги из бетона затруднено, то в этот период и воздуха в бетон из окружающей среды практически попадает очень мало. Поэтому воздух, на­ходящийся в бетоне, охлаждается вместе с материалом, относительная влажность его возрастает до 100 %, и про­исходит уже не испарение, а конденсация, что и приво­дит к снижению давления в бетоне, которое снижается иногда даже до меньших значений, чем у атмосферного. Наблюдаемое отрицательное давление (менее атмосфер­ного) незначительно, однако оно за счет хотя и неболь­ших, но все же существующих частных потоков массы , направленных к центру, заставляет влагу передви­гаться, что снижает влагосодержание поверхностей.

Из приведенного анализа следует, что охлаждение бе­тона в форме с закрытой крышкой по отношению к та­кому же процессу, но без крышки наиболее безопасно для нарушения структуры, а поэтому и более целесооб­разно. Все это позволяет отметить, что даже не решая уравнений, а только анализируя механизм тепло- и массообмена, рассматривая возникновение напряженного состояния на его основе, мы получаем возможность вы­бирать наиболее целесообазные способы и режимы тепловлажностной обработки.