CC BY
6О баротермической обработке бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину
О)
о
см
О!
О Ш
т
X
<
т о х
X
Угляница Андрей Владимирович
д.т.н., профессор, профессор Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), uav@Kuzstu.ru
Покатилов Юрий Владимирович
старший преподаватель Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), yumal28@mail.ru
Известные способы автоклавной обработки силикатных бетонных смесей имеют недостаток - баротермическая обработка бетонной смеси в них производится в автоклавной камере, в которую помещают металлическую форму с бетонной смесью. В результате баротермическая обработка бетонной смеси распространяется в глубину от открытой поверхности смеси в форме только на 200-600 мм в зависимости от плотности бетона, что ограничивает габариты изготавливаемых силикатных бетонных блоков. Для обеспечения возможности изготовления крупных силикатных бетонных блоков в автоклаве предложено производить баротер-мическую обработку бетонной смеси в герметичной форме, повторяющей конфигурацию бетонного изделия через вертикальную автоклавную скважину, расположенную в бетонной смеси. При этом пар под давлением подается в автоклавную скважину, стенки которой выполняют функцию открытой поверхности бетонной смеси для ее баротермиче-ской обработки. Выполненные предварительные исследования по распространению баротермической обработки в силикатной бетонной смеси от вертикальной автоклавной скважины на лабораторном стенде «радиальная форма-автоклав» подтвердили гипотезу о возможности проведения баротермической обработки бетонной смеси через автоклавную скважину в герметичной форме, повторяющей конфигурацию бетонного изделия.
Ключевые слова. Баротермическая обработка, бетонная смесь, силикатный бетон, автоклавная скважина, радиус баротермической обработки, форма-автоклав.
Введение
В строительной отрасли в настоящее время широкое распространение получили изделия из силикатного бетона автоклавного твердения [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Силикатные бетоны представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого вяжущего, получаемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Основным вяжущим компонентом бетонной смеси является негашеная известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при баротермической обработке. Поэтому вторым вяжущим компонентом смеси являются минеральные вещества, содержащие кремнезем, такие как кварцевый песок, доменные и каменноугольные шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, известь и кремнеземистый компонент подвергают тонкому помолу. В качестве инертных заполнителей смеси используют немолотой кварцевой песок, шлаки, керамзит, щебень.
Сущность обработки силикатной бетонной смеси в автоклаве заключается в следующем. В металлическую форму, имеющую конфигурацию бетонного изделия, устанавливают арматурный каркас (если он предусмотрен конструкцией изделия), в форму укладывают приготовленную бетонную смесь и помещают ее в автоклавную камеру, в которую подают водяной пар под давлением. При этом в автоклавной камере на открытую поверхность бетонной смеси в форме действует избыточное давление пара, которое вместе со стенками и днищем формы обжимает бетонную смесь. Обработка бетонной смеси в автоклаве производится при давлении насыщенного водяного пара 0,9-1,2 МПа и температуре соответственно 174,5-187 С, что позволяет значительно сократить сроки твердения бетона и улучшить его физико-механические характеристики по сравнению с бетоном атмосферного твердения за счет прогрева бетонной смеси, ее обжатия паровоздушной средой и «автоклавного синтеза» - образования новых фаз и соединений в бетоне [1, 6].
Однако известные способы автоклавной обработки бетонных смесей имеют недостаток -автоклавная обработка бетонной смеси в них производится в автоклаве только через открытую поверхность бетонной смеси в форме. В результате автоклавная обработка бетонной смеси в форме в зависимости от состава бетонной смеси и параметров её автоклавной обработки может распространяться в глубину от открытой поверхности бетонной смеси в форме только на 500-600 мм для легких и на 200-250 мм для плотных силикатных бетонов, причем с увеличением плотности бетона глубина распространения автоклавной обработки уменьшается [6].
Указанный недостаток ограничивает размеры силикатных автоклавных бетонных блоков, не позволяя изготавливать в автоклаве крупные бетонные блоки с высотой в форме 1,0 - 2,0 м и более для нужд строительного производства.
Цель исследования. Разработка технических и технологических решений для изготовления крупногабаритных силикатных бетонных блоков автоклавного твердения за счет баро-термической обработки бетонной смеси через вертикальные автоклавные скважины в герметичной форме-автоклаве, повторяющей габариты бетонного изделия.
Материал и методы исследования.
Для обеспечения возможности изготовления крупных силикатных автоклавных бетонных блоков в Кузбасском государственном техническом университете им. Т.Ф. Горбачева предложено производить баротермическую обработку бетонной смеси не в автоклавной камере, в которую помещают форму с бетонной смесью, а в герметичной форме-автоклаве с конфигурацией бетонного изделия через вертикальные автоклавные скважины, расположенные в автоклавной смеси на заданном расстоянии друг от друга [7].
На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема изготовления автоклавного бетонного блока в форме-автоклаве с баротер-мической обработкой бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину.
Изготовление автоклавного бетонного блока согласно предложенному способу производится следующим образом. Металлический корпус формы 1 утепляется теплоизоляционным материалом 2 и оборудуется герметичными верхней 3 и нижней 4 крышками. В форму 1 с закрепленной нижней крышкой 4 устанавливают вертикальную автоклавную скважину 5 и в пространство между автоклавной скважиной 5, стенками формы 1 укладывают бетонную смесь 7, герметично закрывают верхнюю крышку 3. В автоклавную скважину 5 через инъектор пара 6 подают водяной пар 8 под давлением и произво-
дят баротермическую обработку бетонной смеси 7. В процессе баротермической обработки бетонной смеси пароконденсат (вода) 10, скапливающийся внизу автоклавной скважины 5, удаляют через патрубок удаления пароконденсата 9, путем открывания крана 11.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема изготовления силикатного бетонного блока в форме-автоклаве с баротермической обработкой бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину
После баротермической обработки бетонной смеси 7 и остывания бетона в корпусе формы-автоклава 1, с нее снимают верхнюю 3 и нижнюю 4 крышки , из автоклавной скважины 5 вы -нимают инъектор пара 6 и извлекают готовый силикатный бетонный блок. При необходимости пространство автоклавной скважины бетонируют, в которую перед бетонированием может быть помещен армирующий элемент.
Параметры баротермической обработки бетонной смеси зависят от состава и плотности получаемого силикатного бетона и назначают согласно известным рекомендациям по автоклавной обработке бетонных смесей [6]. Для изготовления силикатных бетонных блоков значительной ширины в форме-автоклаве может располагаться несколько вертикальных автоклавных скважин, расположенных на заданном расстоянии друг от друга.
Вертикальная автоклавная скважина представляет собой трубу из металлического решетчатого каркаса со стенками из стальной сетки, непроницаемой для заполнителя бетонной смеси, но проницаемой для водяного пара.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 4
М О
О)
о
см
О!
О Ш
В
X
3
<
В
О X X
Для проверки возможности и эффективности баротермической обработки бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину были выполнены предварительные экспериментальные исследования на радиальной модели формы-автоклава. На рис. 2 представлена конструкция физической радиальной модели формы-автоклава с баротермической обработкой бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину.
Рис. 2. Радиальная модель форма-автоклав.
Радиальная модель форма-автоклав представляет собой сборную металлическую конструкцию, выполненную в виде сектора с углом при вершине 30°, состоящую из рамы 1, двух верхней 2 и нижней 3 крышек из листового проката. В целом рама 1 и две ее крышки образуют радиальную камеру формы-автоклава, которая заполняется автоклавной бетонной смесью 4. Нижняя и верхняя крышка выполнены съёмными для непосредственной укладки бетонной смеси в радиальную форму-автоклав и удаления из нее автоклавного бетона. Для обеспечения герметичности формы-автоклава при подаче в нее пара верхняя и нижняя крышки соединяются с рамой болтовыми соединениями, между рамой и крышками укладывается паронито-вая прокладка на высокотемпературный герме-тик. В верхней крышке 2 расположены восемь колодцев 6 для размещения термометров. Расстояние между термометрами - 100 мм.
Автоклавная скважина 6 диаметром 76 мм выполнена в виде сектора с углом при вершине 300. Радиальная стенка автоклавной скважины изготовлена из стальной сетки 8, проницаемой для пара, но непроницаемой для заполнителей бетонной смеси. Удаление пароконденсата (воды) из автоклавной скважины 6 в процессе автоклавной обработки производится под давлением пара самотеком через патрубок в емкость сбора пароконденсата 7, оборудованную сливным краном 8. Подачу водяного пара 9 под давлением в автоклавную скважину производили парогенератором. Давление в автоклавной скважине 6 измеряли образцовым манометром 10.
Баротермическая обработка бетонной смеси в радиальной форме-автоклаве и определение радиуса распространения баротермической
обработки от вертикальной автоклавной скважины производились следующим образом. В лабораторном смесителе приготавливали силикатную бетонную смесь требуемого состава. Полученной бетонной смесью заполняли форму-автоклав, на раму формы-автоклава укладывали паронитовую прокладку, смазанную высокотемпературным герметиком, устанавливали верхнюю крышку и притягивали ее к раме болтами. Подсоединяли к радиальной форме-автоклаву пароподающий шланг высокого давления и устанавливали в колодцы верхней крышки термометры. После окончания режима предавтоклавной выдержки бетонной смеси в радиальном форме-автоклаве включали парогенератор и производили баротермическую обработку бетонной смеси с режимами: подъем давления до максимального значения, автоклавная обработка при максимальном давлении, спуск давления до атмосферного.
Подъем и спуск давления пара регулировали парогенератором. Максимальное давление пара в автоклавной скважине устанавливали с помощью образцового манометра и контролировали по температуре пара в автоклавной скважине. Радиус распространения автоклавной обработки бетонной смеси от вертикальной автоклавной скважины определяли по изменению температуры бетонной смеси в радиальной форме-автоклаве по мере удаления от автоклавной скважины скважины.
Существует зависимость между давлением пара и температурой бетонной смеси в замкнутой системе при баротермической обработке. Минимальному значению давления водяного пара 0,9 МПа, при котором происходит автоклавный синтез бетонной смеси, соответствует температура 174,5°С, а давлению водяного пара 1,2 МПа соответствует температура 187,0°С [1, 6]. Поэтому в исследованиях за границу радиуса распространения баротермической обработки от автоклавной скважины принимался радиус, при котором происходит автоклавный синтез бетонной смеси, то есть радиус удаления от автоклавной скважины, при котором температура смеси в радиальной автоклавной камере составляла =174,5°С, что соответствует давлению 0,9 МПа.
Максимальное давление нагнетания водяного пара принимали равным 1,2 МПа, поскольку известно, что при давлении свыше 1,2 МПа эффективность автоклавного синтеза снижается, при этом температура в автоклавной скважине радиального автоклава при давлении 1,2 МПа составляла = 187,0°С [1, 6]. Показания термометров по длине радиальной формы-автоклава фиксировали в конце режима
автоклавной обработки - «выдержка при максимальном давлении водяного пара в автоклавной скважине». Поскольку термометры по длине радиальной автоклавной камеры располагались через 0,1 м, то величину эффективного радиуса автоклавной обработки между термометрами определяли
интерполяцией.
Результаты исследований и их обсуждение
Исследования по изучению возможности проведения баротермической обработки бетонной смеси в радиальной форме-автоклаве через вертикальную автоклавную скважину были выполнены для силикатных тонкомолотых шлако-известковых бетонных смесей при режиме автоклавной обработки:
4ч+0,75ч+6ч+5ч. Результаты
экспериментальных исследований
представлены в табл. 1.
Таблица 1
Радиусы распространения баротермической обработки от вертикальной автоклавной скважины в зависимости от состава шлако-известковой смеси и параметров ее
Радиус автокла вной обрабо тки, м Коэффициен т основности шлако-известковой смеси Фракци и шлака и извести Водо-вяжуще е отношен ие Режим автоклавно й обработки, ч Плотность силикатного бетона, кг/м3
0,61 0,3 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5 1168
0,53 0,3 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5 1246
0,49 0,5 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5 1309
0,34 0,5 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5 1372
0,42 0,7 (-0,16) 0,5 4+0,75+6+5 1429
0,21 0,7 (-0,08) 0,5 4+0,75+6+5 1530
Как следует из таблицы радиус автоклавной обработки шлако-известковой смеси от вертикальной автоклавной скважины увеличивается с уменьшением плотности полученного силикатного бетона, это объясняется тем, что с уменьшением плотности бетона возрастает его пористость и, следовательно, проницаемость для
баротермической поверхности водяного пара.
Заключение
Выполненные предварительные исследования обосновали возможность изготовления крупных силикатных бетонных блоков в форме-автоклаве через вертикальные автоклавные скважины.
Для разработки методики определения оптимальных параметров данной технологии в Кузбасском государственном техническом университете им. Т.Ф. Горбачева в настоящее время проводятся лабораторные исследования по определению взаимосвязи между параметрами силикатной бетонной смеси, ее баротермиче-ской обработки, диаметром автоклавной сква-
жины, радиусом распространения баротермической обработки бетонной смеси от автоклавной скважины, прочностью и плотностью получаемого силикатного бетона. При этом за критерии оптимизации приняты прочность и плотность силикатного бетона, остальные вышеназванные параметры в целевой функции оптимизации являются переменными.
Предложенный способ баротермической обработки бетонной смеси через вертикальную автоклавную скважину позволит изготавливать крупные силикатные бетонные блоки автоклавного твердения для возведения водозащитных дамб, фундаментов, пилонов, подпорных стен и несущих трубобетонных элементов с повышенной прочностью и плотностью бетона [8, 9]. Применение для изготовление силикатного бетона автоклавного твердения тонкомолотых топливного и металлургического шлаков, вскрышных и горелых пород, являющихся отходами топливно-энергетической, металлургической, угольной и горнорудной промышленностей, позволят одновременно решать важную экологическую задачу по полезной утилизации промышленных отходов [10, 11].
Литература
1. Боженов П. И. Технология автоклавных материалов. - Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.
2. Haga N., Ohkawa V., Kawamoto T., Konno M., Mizoguchi J. Utilisation of blast furnace and steel slags in road construction. Nippon Steel Techn. Rept. 1981/N 17.
3. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. The strenghth varieties of the seibsurface made of lime and fine coal ash of the Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
4. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng, Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
5. Tuhkat huotykayttoon. Lahtinen P. Kuntatekn. - kommun-tekn. [Kunnallisteknukka]. 1997.-52, N5.
6. ОНТП 09-85. Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий по производству изделий из ячеистого и плотного бетонов автоклавного твердения / Утверждены приказом Министерства промышленности строительных материалов СССР от 02 октября 1985 г. № 572.
7. Патент RU № 2562307. С1. Способ производства крупногабаритных бетонных блоков в форме-автоклаве / Угляница А.В., Солонин К.Д., Струкова Е.А.- Подана 07.07.2014. Опубл. 10.09.2015. Бюл. №25. Приоритет 07.07.2014.
8. A unified formulation for circle and polygon concretefilled steel tube columns under axial com-
x
X
о
го А с.
X
го m
о
ю 4
М О
to
О)
о
CS
Ol
О Ш
m
X
pression [Text] / Min Yu, Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Yuting Li // Engineering Structures.- 2013. - 49. - p. 1-10.
9. Choi E., Park S.-H., Cho B.-S., Hui D. Lateral reinforcement of welded SMA rings for reinforced concrete columns // Journal of Allows and Compounds. 577S, 2013. P. 756-759.
10. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. The strenghth varieties of the seibsurface made of lime and fine coal ash of the Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
11. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng, Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban. = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
On barothermal treatment of a concrete mixture through a
vertical autoclave well Uglyanitsa A.V., Pokatilov Yu.V.
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University The known methods of autoclave treatment of silicate concrete mixtures have the disadvantage: the barothermal treatment of the concrete mixture in them is carried out in an autoclave chamber, in which a metal mold with a concrete mixture is placed. As a result, the barothermal treatment of the concrete mixture extends in depth from the open surface of the mixture in the mold to only 200-600 mm, depending on the density of the concrete, which limits the dimensions of the silicate concrete blocks produced. In order to make it possible to manufacture large silicate concrete blocks in an autoclave, it was proposed to perform barothermal processing of the concrete mix in a sealed form that follows the configuration of the concrete product through a vertical autoclave well located in the concrete mix. At the same time, steam under pressure is fed into an autoclave well, the walls of which perform the function of the open surface of the concrete mix for its barothermal treatment. Preliminary researches in the distribution of barothermal treatment in silicate concrete mix from a vertical autoclave well using a radial form-autoclave laboratory bench confirmed the hypothesis about the possibility of conducting barothermal treatment of the concrete mix through an autoclave well in a sealed form, repeating the configuration of a concrete product. Keywords. Barothermal treatment, concrete mix, silicate concrete, autoclave well, barothermal treatment radius, autoclave form.
References
1. Bozhenov P.I. Technology of autoclave materials. - L.: Stroyizdat, Le-ningr. Separation, 1978. - 368 p.
2. Haga N., Ohkawa V., Kawamoto T., Konno M., Mizoguchi J.
Utilization of blast and road construction. Nippon Steel Techn. Rept. 1981 / N 17.
3. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
4. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng,
Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
5. Tuhkat huotykayttoon. Lahtinen P. Kuntatekn. - Kommun-tekn. [Kunnallistek-nukka]. 1997.-52, N5.
6. ONTP 09-85. All-Union standards of technological design of
enterprises for the production of products from cellular and dense concrete autoclavable hardening / Approved by Order of the Ministry of Industry of Construction Materials of the USSR on October 02, 1985 No. 572.
7. Patent RU No. 2562307. d. Method for the production of
large-size concrete blocks in the form of an autoclave / Uglyanitsa AV, Solonin KD, Strukova Ye.A.- Posted 07/07/2014. Publ. 09/10/2015. Bul №25. Priority 07/07/2014.
8. Amini Yu, Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Yuting Li // Technical
Structures.- 2013. - 49. - p. 1-10.
9. Choi E., Park S.-H., Cho B.-S., Hui D. Lateral reinforcement of
rings for reinforced concrete rings // Journal of Allows and Compounds. 577S, 2013. P. 756-759.
10. Liu Hongjun, Yuan Feng, Yang Donghai. Hingwaj from Changba to Baichengt. Dongbei linye daxue xuehao = J. Nort-East Forest. Univ. 2000. 28, N1.
11. Chen Xiaotong, Shao Jiexicn, Zhang Jun, Chen Rongsheng, Don Younian, Zhang Fan. Dongnan daxue xuebao. Ziran kexue ban. = J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. 2001.31. N 3.
<
m о x
X
