Лабораторная работа № 6. Исследование температурного поля бетонного образца при его теРМовлажностной обработке в лабораторной пропарочной камере

Цель работы: изучение закономерностей переноса теплоты при тепловлажностной обработке бетона, сопоставление экспериментального и расчетного распределения температур по сечению образца.

Основные понятия

 

Ускорение твердения бетона путем темпловлажностной обработки его в пропарочной камере при атмосферном давлении и температуре         до 100 ^оС получило наибольшее распространение на заводах сборного            железобетона.

Для получения изделий требуемой прочности и структуры необходимо правильно назначить режим тепловлажностной обработки. Режим тепловой обработки включает в себя параметры периодов подогрева, изотермической выдержки (при максимальной температуре) и охлаждения. Он характеризуется длительностью каждого периода, максимальной температурой изотермического прогрева и влажностью среды. За оптимальный режим тепловлажностной обработки принимают такой режим, при котором время обработки было бы минимальным, а прочность готового изделия наиболее высокой и одинаковой по сечению образца. Режимы могут быть жесткими и мягкими. Жестким режимам отвечают жесткие условия формирования структуры бетона: короткое предварительное выдерживание свежесформованных изделий, быстрый подъем температуры, высокая температура изотермического прогрева, недостаточно влажная среда, медленная распалубка и так далее. Мягкие режимы сочетают длительное предварительное выдерживание, медленный подъем температуры, низкую температуру изотермической выдержки, влажную среду и так далее.

Повышение интенсивности нагрева и охлаждения изделий лимитируется механическими нарушениями структуры твердеющего бетона, что приводит к снижению качества изделий. Связано это с тем, что в процессе тепловлажностной обработки бетона наблюдаются как конструктивные (образование цементного камня), так и деструктивные (под действием градиентов температур, влагосодержаний и давлений) процессы.

С теплотехнической стороны процесс тепловой обработки бетона – характерный случай нестационарного теплообмена, поэтому на протяжении почти всего цикла тепловой обработки имеет место перепад между температурами на поверхности и в центре изделия (по сечению изделия).

Длительность изотермической выдержки определяется с учетом времени, необходимого для более полной гидратации вяжущего, а последнее зависит от скорости выравнивания температуры по сечению изделия.

Изучение распределения температуры по сечению изделия в каждом периоде – важнейший фактор, позволяющий правильно назначить режим тепловлажностной обработки. Не увеличивая общую длительность цикла обработки можно, например, сократить длительность изотермического прогрева: при этом увеличится время охлаждения, что даст возможность не только сэкономить расход пара, но и повысить качество бетона за счет уменьшения температурных перепадов на наиболее опасной стадии тепловлажностной обработки – охлаждении.

 

Описание лабораторной установки

 

 

Рис. 6.1. Схема установки: 1 – пропарочная камера; 2 – стакан с образцом;

3 – термопары; 4 – крышка камеры; 5 – электронагреватели;                             6 – пульт управления; 7 – педаль

Лабораторная установка (рис. 6.1) состоит из пропарочной камеры 1, в которую помещается стакан 2 с обрабатываемым образцом. Нагрев воды в камере осуществляется электронагревателями 5. Температура среды и температура по сечению образца контролируются термопарами 3. Включение и отключение пропарочной камеры осуществляется с помощью пульта управления 6. Камера закрывается крышкой 4 при помощи   педали 7.

 

Порядок выполнения работы

1. Получают от преподавателя данные для приготовления бетонной смеси.

2. Формуют образец.

3. Образец (без формы) помещают в стакан и устанавливают в пропарочную камеру.

4. Опускают на необходимую глубину термопары для измерения температуры среды, поверхности и центра образца.

5. В табл. 6.1 записывают начальные показания термопар.

6. Включают пропарочную камеру.

7. Показания термопар записывают через каждые 10 мин.

8. Опыт заканчивают при достижении температурами поверхности и центра температуры среды.

 

Таблица 6.1

Время от начала тепловой обработки τ i, ч	Температура, °С			Стадия
	среды	поверхности изделия	центра изделия

Обработка опытных данных

Температуру поверхности  и центра () образца можно определить с помощью номограммы (прил. 2) из формулы:

                                                                               (6.1)

где  - температура среды, ^оС; - температура в точке образца Х в момент времени , ^оС;  – температура, полученная по номограмме,^оС; R – характерный размер, равный расстоянию от центра до поверхности, м.

Перед определением температур проводят следующие расчеты:

Определяют скорость подъема температуры среды в камере, ^оС/ч:

                                                  ,                                (6.2)

где  – начальная температура среды, ^оС; t _с – температура среды в конце периода подъема температур, °С; – время подъема температуры, ч.

Рассчитывают температуру среды в момент времени :

                                  .                                   (6.3)

Рассчитывают коэффициент, характеризующий тепловыделение бетона:

                                                                       (6.4)

где – коэффициент, учитывающий водоцементное отношение В/Ц; – удельное тепловыделение цемента при естественном твердении, кДж/кг (прил. 1); – коэффициент температуропровод-ности, м²/с; r – плотность бетонной смеси, кг/м³; с – удельная теплоемкость бетона, кДж/кгּК; R – характерный размер изделия, м;  – коэффициент, зависящий от критерия Фурье (Fо) и Био (Bi), определяется по номограмме (прил. 4).

Критерий Фурье                    .                                      (6.5)

Критерий Био                                                                     6.6)

Здесь  – коэффициент теплоотдачи, Вт(м²∙К), находят по номограмме (прил. 9),  – коэффициент теплопроводности бетона, Вт/(м∙К).

Определив по номограмме температуры поверхности и центра для определенных моментов времени, занести их значения в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Время от начала тепловой обработки τ i, час	Температура, °С			Стадия
	среды	поверхности изделия	центра изделия

Построить и сравнить графики экспериментальной и расчетной зависимости температуры по сечению образца от времени:  и .

Контрольные вопросы

1. Назначение термовлажностной обработки бетона.

2. Назовите и охарактеризуйте стадии термовлажностной обработки.

3. Понятия стационарного и нестационарного теплообмена.

4. Критерии Фурье и Био, их физический смысл.

5. Под действием чего возникают деструктивные процессы при термовлажностной обработке бетона?

6. Какое направление имеют удельные потоки теплоты и массы на различных стадиях термовлажностной обработки

7. Напишите уравнения внешнего и внутреннего тепло-. и массооб- мена на различных стадиях термовлажностной обработки бетона.

8. Методика определения коэффициента теплоотдачи при стационарном и нестационарном теплообмене.

9. Выбор оптимального режима термовлажностной обработки.

10. Методика определения температуры поверхности и центра изделия при термовлажностной обработке.