Отсутствие трещин в период подъема давления, которое фиксировалось отсутствием перепадов скорости прохождения ультразвука, еще не значит, что следует пренебрегать температурно-влажностными градиентами в изделиях, так как они приводят к возникновению внутренних напряжений, а превышение допустимых напряжений материала сопровождается деструкцией. По данным ультразвуковых измерений видно, что твердение силикатных бетонов начинается на стадии подъема температуры. Нарастание прочности и модуля упругости происходит в зависимости от интенсивности продвижения теплового потока.
Наряду с ростом температуры от поверхностных слоев к центральным, зонам соответственно идет процесс постепенного перехода материала из упруго-вязкопластичного состояния в упругохрупкое. Увеличение скорости подъема температуры в автоклаве позволяет осуществить нагрев изделий при минимальных внутренних напряжениях. Наибольшим температурным перепадам, возникающим в этот период, соответствуют наименьшие значения модуля упругости. По данным измерений для данного состава газобетона к концу автоклавной обработки Е = 60-70 МПа. С повышением температуры изделия повышается почти в линейной зависимости и модуль упругости, что приводит к росту внутренних напряжений. Если это не сказывается в начальный период, то при повышении прочности центральных зон при наличии больших температурных перепадов может вызвать образование дефектов. Поэтому скорость подъема температуры должна быть связана с условиями продвижения теплового фронта в материале и с размерами изделий.
Особое значение приобретает данное положение при запаривании изделий, изготовленных по резательной технологии, где интенсивность продвижения теплового потока несколько снижается, что приводит к неравномерному переходу центральных и поверхностных слоев от упруго-вязкопластичного состояния к упругохрупкому. В связи с этим должны быть приняты меры к снижению величины внутренних напряжений, возникающих при температурных перепадах, что может быть достигнуто за счет повышения в доавтоклавный период температуры крупноразмерных изделий в пределах 70-75° С.
Резюмируя данные наблюдений, можно констатировать, что
ускоренный подъем температуры среды позволяет осуществить нагрев изделий при
минимальных внутренних напряжениях, так как наибольшим значениям температурных
перепадов соответствуют наименьшие значения модуля упругости материала. При
этом необходимо учитывать условия протекания тепло- и массообмена, размеры и
начальную температуру изделий. Оптимальной продолжительностью подъема
температуры является 1,5 -2 ч с обязательной продувкой автоклава.
.5.14.1 Изотермическая выдержка
Нарастание прочности материала продолжается при изотермической выдержке, продолжительность которой должна назначаться с учетом сроков твердения газобетона при заданной максимальной температуре и сроков выравнивания температур по сечению изделий до этой температуры. Сроки твердения газобетона зависят от его состава, объемной массы, удельной поверхности, минералогического состава цемента и молотого песка, размеров изделий и т. д. Учитывая это, единое регламентированное время выдержки нельзя рекомендовать, оно устанавливается для каждого конкретного случая. Процесс нарастания прочности идет уже в период доавтоклавной выдержки, увеличивается в период подъема давления и интенсивно продолжается в период изотермической выдержки. Этот процесс контролируется по изменению упругих и акустических свойств запариваемого материала.
С повышением температуры начинается постепенное нарастание значений модуля упругости и скорости звука, затем происходит резкое увеличение интенсивности их нарастания; при достижении определенного периода времени рост модуля упругости и скорости звука замедляется и полностью прекращается. Прекращение роста упругих и акустических свойств, видимо, связано с окончанием процесса твердения газобетона, что происходит через 1,5-2 ч после достижения им температуры изотермической выдержки. Из данных наблюдений следует вывод о том, что через 1,5-2 ч после достижения максимальной температуры газобетон в этой точке полностью переходит в упругохрупкое состояние. Максимальное значение скорости звука равнялось 1820-1830 м/с, что соответствует прочности при сжатии 3,7-3,8 МПа. Кубики, выпиленные из изделий и высушенные до постоянной температуры, показали прочность 4,2-4,4 МПа.
С целью проверки взаимосвязи акустических и упругих показателей газобетона с набором прочности во время автоклавной обработки в некоторых опытах изотермическая выдержка прекращалась после выравнивания температуры по сечению образцов; в других опытах - время выдержки удлинялось до 5-6 ч после выравнивания температур. В первом случае был получен большой разброс кубиковой прочности: в верхней части блока - 2,4÷3,2, в средней - 2,6÷2,8 и в нижней - 3,2÷3,5 МПа. Во втором случае прочность образцов соответствовала образцам, выдерживаемым при постоянном давлении пара 1,5-2 ч (4,3-4,5 МПа).
Таким образом, прослеживается тесная связь между нарастанием упругих и акустических свойств и процессом твердения газобетона; время твердения материала может быть установлено импульсным и акустическим путем. Исследования показали, что скорость ультразвука в газобетоне изменяется в случае перепадов давления и температуры, что, видимо, связано с процессами деструкции в результате создания внутренних напряжений в изделиях. Величина колебания прочности для получения качественного материала не должна превышать 0,01-0,015 МПа (при рабочем давлении Р=1,0 МПа).
При запаривании крупных массивов нецелесообразно увеличивать продолжительность стадии подъема давления, нежелательным также является присутствие в автоклаве воздуха. Увеличение продолжительности этой стадии приводит к уменьшению интенсификации нагрева изделий в начальный период, когда газобетон имеет небольшой модуль упругости, и большим температурным перепадам в период изотермической выдержки. При сокращении периода подъема давления уже при достижении 100-1030 С пар проникает в щели разрезов, температура в щелях начинает возрастать уже через 40-55 мин. Максимальный перепад наблюдается в конце первой, начале второй стадии запаривания. Нагрев щелей начинается равномерно со всех сторон, образования воздушных мешков не наблюдается. При наличии технологических пустот в изделиях сначала более активно нагреваются их верхние зоны, где имеется свободный доступ для пара, в нижней части повышение температуры происходит медленнее. С возрастанием температуры поддона вследствие нагрева конденсата и испарения влаги растет температура в нижних зонах.
При сокращении времени подъема давления увеличивается скорость диффузии пара, что способствует быстрому его проникновению в щели, пустоты, поры и капилляры изделий. Это, в свою очередь, интенсифицирует прогрев и сокращает время выравнивания температур по сечению изделий. Сокращение продолжительности изотермической выдержки может быть достигнуто только путем сокращения времени прогрева панелей. Для этой цели с помощью вертикальных стержней кассеты-кондуктора в изделиях образовывались технологические отверстия.
Количество их достигало 5% от объема массива. Сравнивая полученные данные, можно сделать вывод, что время выравнивания температуры значительно сократилось. Так, время выравнивания температуры с момента пуска пара в автоклав составило для крайней панели - 8,3, для второй-11,5 и для средней-13 ч, а в рассматриваемом варианте, соответственно, равнялось 6,5; 8,6 и 9,8 ч, т. е. время выравнивания температуры по сечению второй и третьей панелей уменьшилось на 3 ч. Таким образом, ускорение первой стадии запаривания в 2 раза (с 3 до 1,5 ч), удаление конденсата и наличие 5% технологических отверстий в изделиях позволили сократить время выравнивания температуры по сечению массива на 23%. Время твердения газобетона по данным ультразвуковых испытаний совпадало с результатами лабораторных исследований и составляло около 1,5 ч.
Следует отметить, что средние слои массива находятся в процессе автоклавной обработки в худших условиях. Действительно, центр панелей достигает температуры среды только через 7-8 ч после выпуска пара в автоклав, тогда как поверхность - через 2 ч.
Таким образом, при выбранном режиме автоклавной обработки центр панелей выдерживается при максимальной температуре около 3 ч, в то время как поверхностные слои - 8 ч. К тому же перепад температур в щелях разрезов и центре панелей, достигающий 900 С, вызывает в сечении, перпендикулярном вспучиванию, большие напряжения, чем в сечении, параллельном вспучиванию, что подтверждается изучением распределения прочности по высоте заливки. Это объясняется тем, что температурные напряжения в первом случае распределены на длине 12 см (половина толщины панели), во втором - 80 см (половина высоты панели).
Учитывая, что время твердения газобетона составляет
1,5 ч, при выбранном режиме подъема и изотермической выдержки газобетон
успевает набрать необходимую прочность. Влажность изделий в период подъема
давления в автоклаве резко повышается и к концу первой стадии запаривания
достигает максимальной величины (86-88%), так же как и в образцах-моделях, но в
период изотермической выдержки потеря влаги происходит более интенсивно
(снижается на 25-28%).
.5.14.2 Снижение давления пара
Период снижения температуры в автоклаве является завершающим этапом процесса гидротермальной обработки. Этот период назначается с целью уменьшения внутренних напряжений, возникающих в связи с перепадом температур, влажности и давления, усадки бетона и т. д.
При снижении давления до атмосферного независимо от продолжительности перепада градиенты температуры в образцах составляют небольшую величину (около 100С). После окончания периода снижения давления пара температурные перепады постепенно увеличиваются (до 35° С); резкое их увеличение (до 520С) наблюдается после снятия крышек автоклава. Несмотря на то, что перепады температуры в период подъема давления имеют значительно большие значения, многие ученые считают, что трещинообразование в этот момент менее вероятно в связи с тем, что газобетон имеет минимальные значения модуля упругости и может противостоять возникающим напряжениям без образования трещин.
Проведенные нами исследования показали, что изменения температурных полей в процессе автоклавной обработки газобетона на нефелиновом цементе и портландцементе носят одинаковый характер. Следует отметить, что запарки газобетона проводились автором и С. К. Хамзиным одновременно, условия проведения эксперимента были близки. Влажность газобетона снизилась на 20-22%. Анализ полученных данных показывает, что охлаждение газобетона малых объемных масс происходит одновременно во всем объеме из-за большого количества крупных пор вследствие вскипания содержащейся в порах влаги. Температурные перепады по сечению изделий появляются после их охлаждения до 1000 С. Однако при ускоренном снижении давления (0,5 ч) возникают сквозные продольные или (1 ч) микротрещины, появление которых легко обнаруживается локальным падением скорости ультразвука. Причинами образования дефектов являются, видимо, появление растягивающих усилий, превосходящих предел прочности на разрыв, и неравномерная усадка вследствие неоднородности структуры материала. Допустимая скорость снижения давления должна назначаться исходя из прочности материала в этот период.
При прочности на сжатие 4,2-4,3 МПа и при соотношении Rр = 0,1Rсж (с учетом понижающего из-за влажности материала коэффициента) Rр = 0,23-0,25 МПа. По данным опытов, при давлении 1,0 МПа безопасная продолжительность спуска давления составляет 2-2,5 ч.
Исследования показали также, что трещины в изделиях образуются и при остывании последних после их выгрузки из автоклава, при этом градиент температур составляет 55-600С. Для предотвращения этого необходимо принудительное охлаждение изделий в автоклаве после снижения давления до атмосферного путем многократного вакуумирования, что способствует равномерному снижению температуры и влажности изделий. Таким образом, физические методы дают возможность обосновать выбор времени доавтоклавной выдержки и отдельных стадий автоклавной обработки.
Образование трещин в период снижения давления объясняется появлением растягивающих усилий, превышающих предел прочности материала на растяжение, и усадкой. Из приведенных данных видно, что в период снижения давления независимо от его продолжительности градиенты температур, влажности и давления отсутствуют. Однако при быстром сбросе давления пара в автоклаве почти во всех изделиях образуются мелкие трещины, появление которых совпадает с резким падением скорости звука. Увеличение продолжительности этой стадии до 3-4,5 ч способствует предотвращению деструктивных явлений.
Открытие крышек автоклава, особенно в зимнее время, ведет к значительным температурным перепадам. Для снижения их необходимо принудительное охлаждение изделий. В результате 4-5-кратного вакуумирования влажность по всему сечению изделий уменьшается до 20-22%, а температура - до 50-55° С.
Таким образом, при производстве крупноразмерных газобетонных изделий по резательной технологии во избежание образования трещин при открывании крышек автоклава вследствие значительных температурно-влажностных градиентов и для равномерного снижения температуры и влажности по всему объему массива необходимо применять принудительное охлаждение после завершения третьей стадии гидротермальной обработки. По данным импульсных акустических испытаний готовых изделий и испытаний кубиков, выпиленных из массива, прочность газобетона колеблется в пределах 3,6 - 4,5 МПа. Прочность в верхней части панелей на 10-20% меньше, чем в нижней.
Анализируя данные лабораторных и производственных исследований по автоклавной обработке газобетона, можно констатировать, что при достаточно точном определении внешних факторов (температуры и давления пара, скоростей подъема и снижения времени изотермической выдержки и т. д.), оказывающих решающее влияние на протекание всех процессов, происходящих в силикатном материале, для данного состава ячеистого бетона с определенными свойствами можно предотвратить возникновение деструктивных процессов. Последние могут образоваться в случае отклонения от оптимальных параметров этих факторов или состава газобетона или же явиться следствием нарушения его структуры еще в период доавтоклавной выдержки.
Наглядным примером могут служить часто встречающиеся в практике так называемые автоклавные «подрывы» - линзообразные выколы в поверхностных слоях панелей, которые могут иметь место и при строгом контроле состава газобетона, параметров автоклавной обработки и др. Причиной этого явления, видимо, являются напряжения, возникающие при автоклавной обработке в связи с упрочнением структуры наружных слоев панелей при разрезке и затирке поверхности, вследствие чего нарушается массообмен между изделием и средой.
Таким образом, для каждого состава газобетона в зависимости от размеров изделий, температуры, влажности, состава, объемной массы, условий протекания массо- и теплообмена и т. д. должен быть определен свой оптимальный режим автоклавной обработки. Общая продолжительность обработки крупноразмерных изделий, полученных разрезкой массива, по данным проведенных исследований, составляет 15-16 ч.
Температура в центре массива перед началом подъема температуры среды выше 100-1050 С должна быть не ниже 68-700 С.
Перед началом подъема температуры среды выше 101-1050С из автоклава должен быть удален воздух.
При соблюдении этих условий нагрев массива протекает весьма интенсивно и завершается к моменту достижения максимальной температуры среды в автоклаве, градиент температуры по сечению изделия - незначителен. Удаление воздуха производится следующим образом. После закрытия крышек автоклав продувается паром. Для этого полностью открывают вентиль на линии продувки и поднимают температуру среды в соответствии с используемым режимом запарки. Продувка заканчивается при достижении в автоклаве температуры 101-1030С и давлении 0,007-0,015 МПа. Момент окончания процесса продувки можно установить с помощью прибора для измерения температуры и манометра. При достижении температуры 105-1070С продувка прекращается.
Интересно, что из-за невозможности получения в лабораторных условиях заливок с высотой 1,6 м во ВНИИстроме проводились исследования на образцах 25-35 см, высотой 24 см в формах с закрытыми бортами. Сроки твердения бетона определялись кондуктометрическим методом по моменту достижения бетоном максимального электрического сопротивления. Как было установлено предыдущими исследованиями, этот момент соответствовал приобретению бетоном максимальной прочности. Сопротивление бетона измерялось с помощью погруженных в него дисковых латунных электродов диаметром 15-20 мм, установленных на расстоянии 30-40 мм друг от друга. Опыты доказали, что при температуре 1830С, соответствующей принятому на комбинате давлению 1,0 МПа, сроки твердения ячеистого бетона на нефелиновом цементе, а также на цементах Волховского и Пикалевского заводов мало отличаются и составляют 6,5-7 ч. Для измерения температуры в толще образца и температуры среды в автоклаве применялись хромель-копелевые термопары. В связи с тем что начальная температура образцов была менее 700С, их нагревали сначала до этой температуры, затем ее поднимали до 1830С. Было установлено, что имеющаяся структура бетона не препятствует молярному переносу тепла, нагрев образцов протекает весьма интенсивно и заканчивается в основном к началу изотермического периода. Нагрев центральной зоны массива происходит интенсивно и заканчивается примерно через 1 ч после достижения максимальной температуры автоклавной обработки (183°С).