11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 1 11. PRZEBIEG OBRÓBKI CIEPLNEJ PREFABRYKATÓW BETONOWYCH 11.1. Schemat obróbki cieplnej betonu i konsekwencje z niego wynikające W rozdziale 6 wskazano na zależność dynamiki narastania wytrzymałości betonu od temperatury. Z zależności tych korzysta się także w prefabrykacji betonowej, dążąc w sposób celowy do przyspieszonego uzyskania przez beton w prefabrykacie tzw. wytrzymałości rozformowania. Uzyskanie tej wytrzymałości zależne jest od składu mieszanki i klasy betonu, temperatury dojrzewania betonu, wymiarów i smukłości elementu oraz typu urządzenia formującego. Wartości tych wytrzymałości są przedmiotem rozważań technologów produkcji. Jeśli brak szczegółowych danych, wartości wytrzymałości można przyjmować następująco: prefabrykaty wielkowymiarowe formowane w formach bateryjnych - 10 12 MPa, prefabrykaty wielowarstwowe z keramzytobetonu wykonywane w formach standowych - 5 7 MPa, stopy wielokanałowe formowane poziomo - 8 MPa, dźwigary sprężone 30 metrowe - 30 35 MPa, drobne elementy budowlane produkowane metodą wibroprasowania - bezpośrednio po procesie formowania. Żądana wytrzymałość betonu na ściskanie zapewnia obliczony cykl obróbki termicznej o schemacie jak na rys. 11.1. Ogólny schemat cyklu obróbki cieplnej metodą powierzchniową z podziałem na poszczególne fazy przedstawia się na rys. 11.1. Rys. 11.1 Ogólny schemat obróbki termicznej betonu
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 2 Fazy te są następujące: Faza I - wstępne dojrzewanie betonu. Czas trwania fazy I ma duży wpływ na wytrzymałość betonu bezpośrednio po obróbce cieplnej jak i po dalszym okresie twardnienia. Optymalny czas wstępnego dojrzewania betonu zależy od rodzaju cementu, składu betonu, początkowej i maksymalnej temperatury obróbki oraz jej metody. Czas wstępnego dojrzewania betonu me powinien być krótszy niż 3 godziny; dalsze jego skrócenie możliwe jest tylko przy masie betonowej o konsystencji gęsto-plastycznej. Nie ma również potrzeby przedłużenia tego okresu powyżej 8 godzin, gdyż nie daje to już praktycznie żadnych korzyści.skrócenie okresu wstępnego dojrzewania poniżej 6 godzin bez uszczerbku dla wytrzymałości betonu może mieć miejsce tylko wtedy, gdy sztucznymi zabiegami doprowadzi się beton do takiego stanu pod względem właściwości fizycznych, jakie osiąga się w normalnych warunkach po 6 godzinach. Do zabiegów tych należą: domieszki chemiczne (chlorki), podwyższona temperatura początkowa masy betonowej (nie wyżej niż -30 C), zwiększenie stopnia rozdrobnienia cementu. Faza II - podnoszenie temperatury. Szybkość podnoszenia temperatury zależy od sposobu oddziaływania na beton czynnika grzejnego, konsystencji masy i czasu trwania fazy I. Dopuszczalne szybkości podnoszenia temperatury betonu wynoszą: - 30 C/h przy długim okresie wstępnego dojrzewania i gęsto-plastycznej konsystencji masy; - 20 C/h przy krótkim dojrzewaniu wstępnym (poniżej 3 godzin) i półciekłej konsystencji masy. Faza III - nagrzewanie w temperaturze maksymalnej (nagrzewanie izotermiczne). Narastanie wytrzymałości betonu jest proporcjonalne do wzrostu temperatury i czasu nagrzewania tylko w pewnych granicach, przy przekroczeniu których efektywność ekonomiczna obróbki cieplnej gwałtownie spada. Tak np. przy stosowaniu cementów portlandzkich i temperatur do 60 C nie jest celowe przedłużanie nagrzewu powyżej 12 godzin, przy temperaturach 8O C - powyżej 8 godzin, a przy temperaturach 100 C powyżej 4 godzin. Faza IV - studzenie betonu. Dopuszczalna szybkość studzenia elementów zależy od ich wielkości i wytrzymałości na ściskanie. Im wytrzymałość betonu jest większa, a przekroje elementów mniejsze, tym studzenie betonu może następować szybciej. W przeciętnych warunkach obniżenie temperatury powinno odbywać się w tempie me większym niż 20 C/h i trwać do czasu, gdy różnica temperatury betonu i otaczającego środowiska nie przekracza 40 C. Jeżeli ze względów organizacji produkcji nie zależy na szybkim studzeniu elementów, czas trwania fazy IV może być wykorzystany dla dalszego narastania wytrzymałości betonu. Przeciętnie przy powolnym stygnięciu elementu trwającym około 10 godzin przyrost wytrzymałości betonu dochodzi do 135 % wytrzymałości jaką osiągnął beton w chwili rozpoczęcia jego studzenia. W praktyce cykle dzieła się. w zależności od poziomu izotermicznego nagrzewu i czasu trwania na: krótkie średnie długie
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 3 Schematy cykli przedstawiono na rys. 11.2 Temperatura, Czas Rys.11.2 Schemat cykli obróbki termicznej betonu Rys. 11.3 Krzywa wzrostu wytrzymałości w zależności od temperatury.
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 4 Przykłady obliczeń. 1) Schematy Rys. 11.4 Schematy obróbki termicznej przyjęte do obliczeń 2) Dane wyjściowe : beton klasy B20; B20 = R G b =20 MPa; R = R G + 1,645 b SR =20 + 1,645 o 3,0 25Mpa R 28 = 25Mpa R wytrzymałość rozformowania R = 10,0MPa Obliczenia : - cykl w temperaturze 80 C _ t = 50 C, h = 3 godz., z wykresu dla _ t =50 C, h = 3godz., R (50,3) R 28 = 0,19 R = 0,19o 25 = 4,75MPa R - R = 10,0 4,75 = 5,25Mpa (dla obróbki w temp. 80 C) 5,25 25 = 0,21 (dla temp. 80 C) odczytany z wykresu czas x = 1,5 godz. (3 + 1,5 = 4,5godz.) - cykl w temperaturze 60 C
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 5 _ R t = 40 C, h = 3 godz., = 0,16; R ( 40,3) = 4Mpa 6Mpa (60 C) R 28 6.0 = 0,24 (temp. 60 C); czas x = 3godz.(3,0 + 3,0 = 6godz.) 25 3)beton klasy B15 R 28 = 20MPa; R = 10MPa; _ t = 50 C; h = 3godz. R R 28 11.3.Bilans ciepła = 0,19; R = 0,19o 20 = 3,8MPa R - R = 10,0 3,8 = 6,2MPa 6,2 = 0,31; x = 2,5godz. 20 cykl = 3 + 2,5 = 5,5godz. Ustalenie rzeczywistego schematu obróbki termicznej betonu umożliwia wykonanie bilansu ciepła, zapotrzebowania na ciepło oraz porównano efektywności obróbki termicznej przy różnych urządzeniach formujących. Obliczenia przeprowadza się dla fazy II i fazy III, tj. dla okresu podnoszenia temperatury (przedział A) oraz okresu izotermicznego nagrzewu (przedział B).Przyjęty do obliczeń schemat i przedziały temperatur podano na rys. 11.5. W tablicy 11.1 porównano procentowe zużycie ciepła na ogrzanie betonu (Q 1 ), na ogrzanie formy, obudowy i pokrycie strat przez powierzchnie przewodzące (Q 2, Q 3, Q 4 ). W zależności od rodzaju formy efektywność wykorzystania ciepła jest różna: przy pojedynczej formie jedynie 19,3% ciepła ogrzewa beton, w tunelu naparzalniczym aż 44,5%. Rys. 11.5 Schemat obróbki termicznej dla przedziału A i B
11. Przebieg obróbki cieplnej prefabrykatów betonowych 6 A. Podnoszenie temperatury 20 C 60 a) ogrzanie betonu Q 1 = c b o m b o (t 2 t 1 ) ; kj b) ogrzanie formy, stojaków Q 2 = (c m o m m + c d o m d ) o (t 2 -t 1 ) c) ogrzanie obudowy Q 3 = c i o m i o (t 3 -t 1 ) ; kj d) straty ciepła przez powierzchnie przewodzące Q 4 = h 1 o F i o k i o (t 2 -t 4 ) ; Wh e) nieszczelności komory Q 5 = 0,1 0,2 o Zapotrzebowanie ciepła dla fazy A 5 Q A = Q i ; kj i= 1 B. Izotermiczny nagrzew 4 i= 1 Q i ; kj f) straty ciepła Q 6 = h 2 o F i o k i o (t 2 -t 4 ) ; Wh h2 g) nieszczelności Q 7 = o Q5 ; kj h1 Zapotrzebowanie ciepła dla fazy B Q B = Q 6 + Q 7 ; kj c b ciepło właściwe betonu kj kg o K m b masa betonu, kg t 3 średnia temp. obudowy h 1 czas trwania II fazy F i powierzchnie oddające ciepło h 2 czas trwania III fazy W k - 2 m K t 4 temp. otoczenia 1Wh = 3,6kJ ν - ogólny współczynnik strat ciepła RAZEM Q AB = (Q A + Q B ) o ν ; kj Ilość ciepła Pojedyncza forma Komora naparzalnicza Tunel naparzalniczy Q 1 Q 2 Q 3 +Q 4 Q 5 Kondensat 19,3 1,7 64,6 1,2 13,2 41,0 11,8 32,7 1,6 12,9 44,5 27,3 28,2 - - Suma 100 100 100 Tablica 11.1 Zapotrzebowanie i straty ciepła w zależności od rodzaju formy; % ;