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7.1 蒸压的热物理过程

来源:《加气混凝土》编辑部 发布时间:2021年08月05日 点击数:

蒸压养护是加气混凝土获得强度等性能的必要条件,是使制品实现水热合成的具体方式和手段,它不仅关系到制品性能的好坏,也关系到工厂的生产效率的提高和能源的消耗。本章将着重讨论蒸压釜内的热物理过程和三种加气混凝土的最佳蒸压养护制度及蒸压养护的主要工艺装备及操作。

7.1 蒸压的热物理过程

蒸压过程中的热传递

在蒸压釜内,当高压蒸汽送人后,在蒸汽与坯体之间,蒸汽与釜体和蒸养车底板等设备之间将进行一系列热交换过程,将蒸汽的热量传给坯体(包括与之接触的设备)。热量传递效率越高,坯体升温就越快,坯体内外达到均匀温度的时间也就越短。

蒸汽与坯体的热交换是从坯体外露的表面首先开始的。当高温的蒸汽与坯体表面接触时,被迅速冷却,同时释放出气化热,蒸汽冷凝后在坯体表面形成水膜并充满外表气孔。这时,坯体表面首先被加热,逐渐形成坯体外层温度和湿度高于坯体内层温度和湿度的情形。在这种情况下,表层温度势必向较低的内部传递,较高温度的水分也将向内层渗透。这种传递和渗透直到坯体内外温度湿度达到平衡为止。在坯体与模板接触的部分。热量的传递通过模板间接进行。由于没有和蒸汽直接接触的机会,也没有冷凝水由外向内的迁移运动,因而这部分坯体的温度增长将滞后蒸汽直接接触的部分。当坯体内外各部分温度接近均衡,釜内蒸汽达到要求的温度时,升温过程即告结束,养护进人恒温阶段。

恒温的目的主要是使制品充分进行水化反应,生成足够的水化产物并达到必要的结晶度,使制品获得良好的性能;同时坯体中心部分少量尚未达到恒温温度的部分将在恒温阶段前期达到与外层一致的温度。在此期间,由于制品内部水化反应大量进行,放出较多的水化热,可能出现釜内温度再升高的现象(有时釜内压力升高0.1MPa)。

降温阶段的热交换与升温过程相反,由于釜内蒸汽的排出,气压下降,制品表面水分迅速汽化,吸收制品热量并随之带出釜外,坯体表面湿度和温度的降低,使制品内部的高温液体向表层迁移。釜内制品的温度就是在这样连续进行的水分迁移和不断汽化中降低温度。同样,由于模底板的阻隔,制品与模底板接触部分的降温过程将滞后于其它的部分。由于在降温的开始阶段制品的内部处于饱水状态,降温过程基本上靠水分的迁移和汽化完成,因而热交换较快,降温速度也较快;在后期,制品内部水分已经大量减少,气泡内的空间逐步由高温液体变成蒸汽,水分迁移变慢,热交换速度随之降低。此时制品内外的热传导将因温度差而逐渐发生更多的作用,但整个制品总的降温速度将明显低于前一阶段。这也是实际中常见的现象。

由于在整个蒸压过程中,热量在坯体内部的传递主要靠冷凝水的迁移和蒸汽的渗透来完成,所以加气混凝土坯体的透气性对坯体内部的传热具有较大的影响。表现为对坯体升温速度的影响。影响加气混凝土坯体透气性的因素主要是原材料的品种,同品种的加气混凝土,则材料的细度影响透气性。一般来说,从品种看透气性比较好的依次为水泥-矿渣-砂、水泥-石灰-砂和水泥-石灰-粉煤灰;从细度看,较粗的材料优于较细的材料。

干空气的传热效率大大低于蒸汽。空气中含湿量越高,其含热量和放热系数也越高,所以,蒸压釜内含有干空气,对热交换是一种阻碍。例如,在田2.85×26m的蒸压釜内,当装满126m×l.5m×0.6m的加气混凝土坯体时,除去坯体、底板和小车的体积后,尚有约l00m3的自由空间,若不进行抽真空,釜内坯体经3h的升温达到120℃左右,6.5h才能达到恒温温度均匀,而若进行30rain抽真空,使釜内真空度达-0.06MPa,则1.5h便可升温达175℃以上,3h左右可达到均匀恒温。这是因为空气在坯体表面形成一层静止的薄层,这层气膜的导热系数很小,它阻碍蒸汽向坯体的传热。同样,根据气体方程,计算出这部分空气将使蒸汽压力下降0.06MPa,气体和坯体的温度都将低于相应压力的饱和蒸汽温度。

另外,蒸汽经过热交换后形成的冷凝水也将吸收一部分热量,且冷凝水较多时,聚集在釜的底部,加之空气的比重大于蒸汽,因而往往造成了釜内上下部分的温度差异。因此,在生产中,在升温的同时应及时地排放过多的冷凝水。

蒸压养护的热平衡

蒸压养护过程中,釜内热量的来源是饱和水蒸汽,热量的消耗是以下几个方面:

1.加热制品(坯体及所含水分);2.加热釜体;3.加热模具及蒸养车;4.加热釜内残留空气;5.加热釜内冷凝水;6.釜体向空间散热;7.釜内自由空间蒸汽的热量。

除以上几个方面的蒸汽消耗外,蒸汽的实际耗用量与采取的蒸压养护制度、气候条件、原材料性质及蒸压釜的保温隔热措施等有关。加气混凝土的水热反应是放热反应,理论上蒸压养护达到恒温时,蒸压釜的压力和温度不应降低,但实际上因釜体的散热及管、阀的泄漏,使恒温后的压力很难保持不变。从行业的平均水平看,每m3的加气混凝土,其蒸压养护消耗的蒸汽量是224kg

蒸压过程中的热膨胀

加气混凝土坯体在蒸压养护过程中都会因为温度的变化而发生体积膨胀和收缩。对体积密度为500kg/m3的加气混凝土试件进行测量的结果表明,加热开始阶段试件相对变形增长较快,以后逐渐变缓。当温度上升到100ll0℃时,加气混凝土的变形大约是最大值的70%,达0.91.0mm/m。在恒温阶段,加气混凝土体积大体稳定。当蒸压釜内气压开始降低时,试件开始收缩,压力低于0.3MPa时收缩量最大。试件的蒸压膨胀值不会因降温而完全消失,其残余变形值约为0.12mm/m。制品的受热变形不是均匀的,在升温阶段,制品表面温度首先上升,因而其变形也早于制品内部。降温时则与此相反,制品内部温度下降的速度低于制品表面。由于温度分布的不均,导致制品各部分的不均匀热变形。当制品表层温度高于内部时,表层应力是为压应力,而内部则为受拉;当制品表层温度低于内层时,表层为拉应力而内层则受压。制品有可能因为过大的温度应力而受到损坏。

在加气混凝土坯体中,除固体物质外,还有大量的液体和气体。当坯体受热时,液体和气体的膨胀系数要大的多(水是坯体的2570倍,气体是坯体的300350倍),因此,当制品在升温及降温时,其内部的压力(主要由于蒸汽和空气的膨胀与收缩产生),也将不同,但一般对制品构不成威胁,因为坯体或制品中的孔隙并不是完全封闭的。水分和空气混合物可以通过相通的毛细管孔移动或被挤出,内压差因此得以缓解。只有当制品强度过低或内压差增长过快时,才对制品有破坏作用。

制品固体组成物料的热膨胀主要取决于材料的品种和数量,一般来说,使用石灰作原料组分时,制品蒸压膨胀值比不用石灰时的要大些。而在使用水泥为钙质材料的加气混凝土中,水泥是蒸压膨胀的主要因素。



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