Тепловлажностной (или гидротермальной) обработкой называют процесс одновременного воздействия на материал теплоты и влаги. В производстве строительных материалов тепловлажностной обработке как основной технологической операции подвергают бетонные изделия, силикатный кирпич, некоторые виды безобжиговых огнеупоров, композиции на основе полистирола и поливинилхлорида. Тепловая обработка минеральных строительных материалов ускоряет силикатное твердение составляющих, а полимерных материалов - вспенивание соответствующих композиций.

В качестве теплоносителей для тепловлажностной обработки применяют водяной пар, горячую воду и нагретый воздух с повышенной относительной влажностью. В последнем случае за счет выделения влаги из материала теплоноситель представляет паровоздушную смесь с большим или меньшим содержанием влаги. Тепловлажностная обработка может осуществляться при атмосферном давлении в камерах, формах, шнеках и при повышенном давлении в автоклавах и герметических формах.

Процесс обработки, как правило, делят на три периода: нагрев материала до температуры греющей среды, выдержка при максимальной температуре, охлаждение. Окончанием периода нагрева считают время, при котором поверхность материала нагреется до температуры теплоносителя. Второй период часто условно называют периодом изотермической выдержки. Условность названия связана с тем, что центральные слои материала в начале периода продолжают нагреваться, так как их температура отстает от температуры поверхности. Период охлаждения протекает без подачи теплоносителя в установку.

При тепловлажностной обработке полимерных материалов в горячей воде окончанием процесса является прекращение вспучивания материала.

Механизм тепло - и массопереноса при тепловлажностной обработке. Если при тепловлажностной обработке изделий греющей средой является пар или паровоздушная смесь с высокой относительной влажностью, а температура поверхности материала ниже температуры точки росы, то на поверхности изделия образуется пленка влаги. Для выяснения процессов, проходящих в материале, рассмотрим бесконечную пластину и проанализируем направление составляющих потока массы qm. Величина и направление составляющей потока qmuпри прочих равных условиях будет определяться временем, прошедшим с момента формования изделия до помещения его в тепловую установку. Если оно значительно, то в толще пластины за счет испарения влаги с поверхности успеет установиться пораболический характер распределения влаги. При внесении пластины в паровую среду на ее поверхности образуется пленка конденсата и влагосодержание поверхности Unстанет больше влагосодержания центра Ј/ц. Через некоторый промежуток времени за счет диффузии влаги от поверхностных слоев к центру влагосодержание в пластине будет характеризоваться кривой, сплошной линией.

Таким образом, в начале процесса пропарки влага движется от центра и от поверхности изделия к плоскости х, причем сама эта плоскость постепенно перемещается от поверхности к центру.

Механизм тепло - и массообмена при тепловлажностной обработке в случае отсутствия пленки конденсата на поверхности материала принципиально не отличается от механизма, разобранного при сушке изделий. Знание этого механизма позволяет регулировать технологические параметры тепловой обработки таким образом, чтобы исключить возможность "пересушки" бетона, особенно его поверхностных слоев, и в то же время снизить общую влажность изделий. Так, при пропарке керамзитобетона в щелевых камерах, оборудованных ТЭНами, в течение всего периода тепловой обработки из бетона уделяется 50.70 кг влаги, что вполне безопасно, так как оставшейся воды с избытком хватает на гидратацию цемента. Конечная влажность бетона при этом составляет 10.13% против 18.20% при обогреве паром. А это значит, что такие панели в течение нескольких лет в процессе эксплуатации будут иметь большее термическое сопротивление, чем панели, прошедшие термическую обработку в камерах обогрева паром. Поэтому пониженная влажность стеновых панелей приводит к значительной экономии теплоты на отопление и улучшает санитарно-гигиенические условия жилья.

Рассмотрим теперь механизм тепло - и массообмена при обогреве материала горячей водой. Пусть неограниченная пластина помещена в емкость с циркулируемой водой. Известно, что на поверхности твердого тела имеется неподвижный пограничный слой. Тогда температура воды в емкости /в будет выше температуры пограничного слоя, который отдает часть своей теплоты материалу, а температура материала tMниже температуры этого слоя, т.е. будет выполняться неравенство

K>ta>tM.

В этом случае направление частных потоков влаги qmu, qmtи qmpдля всех трех периодов аналогично разобранному выше при обогреве материала паром.

В заключение необходимо отметить, что приведенные механизмы тепло - и массообмена (в том числе и при сушке материала) справедливы только для тепло - и влагоизолированной бесконечной пластины с двумя противоположными открытиями поверхностями.

Характер описанных процессов будет изменяться в зависимости от конфигурации обрабатываемого изделия (куб, тело вращения и т.д.), методов нагрева (всесторонний, двусторонний, односторонний), расположения открытой поверхности (горизонтальное, вертикальное), конструкции формы и ряда других факторов, которые могут существенно изменить величину и направление соответствующих градиентов. Эти процессы специфичны не только для отдельных производств - керамики, бетона, пластмасс, но и технологических особенностей тепловой обработки одного и того же материала. Например, механизм тепло - и массообмена при тепловой обработке бетона в кассетах будет отличаться от механизма при обогреве бетона в термоформах.

Под режимами тепловлажностной обработки обычно подразумевают длительность отдельных периодов обработки, максимальную температуру обработки, а также параметры греющего теплоносителя - его температуру, относительную влажность и скорость перемещения относительно обрабатываемого материала. Для минеральных вяжущих материалов длительность периода изотермической выдержки и максимальная температура этого периода определяется требуемой степенью завершенности силикатного твердения вяжущего и допустимой температурой нагрева данного конкретного вяжущего.

Известно, например, что тепловая обработка, как правило, в той или иной степени снижает показатели физико-механических свойств бетона по сравнению с его твердением во влажных условиях при обычной температуре. Причем это снижение тем больше чем интенсивнее и жестче режимы тепловой обработки. Жесткость режимов прежде всего определяется интенсивностью роста и снижения температуры на первом и последнем этапе тепловлажностной обработки, которые вызывают возникновение в материале напряженного состояния. Определяющим условием возникновения в материале напряжений является тепло - и массоперенос.

Как показано ранее, возникновение градиентов температуры, влагосодержания и давления вызывает движение влаги в материале и, следовательно, различные по величине деформации усадки и набухания коллоидного капиллярно-пористого тела. Ни усадка, ни набухание сами по себе не вызывают напряженного состояния материала. Напряжения появляются за счет недопущенных деформаций.

Принципиальным отличием рассматриваемого процесса является смена знаков возникающих напряжений. В отличие от сушки при обогреве паром поверхностные слои испытывают напряжение сжатия, а центральные слои - растяжения.

Поскольку сам процесс тепло - и массопереноса в каждом конкретном случае зависит от величины и характера пористости, тепло - и массопроводности материала, формы и размеров изделия и множества других факторов, попытки ряда исследователей рассчитать режим пропаривания исходя из допустимой скорости нагрева (в первооснове - из величины возникающих напряжений) пока не увенчались успехом. Поэтому основным остается принцип экспериментального подбора режимов обработки по оценке физико-механических свойств полученных изделий. Однако ряд серьезных практических выводов качественного характера все-таки можно сделать, если хорошо представлять себе механизм процессов тепло - и массообмена. Например, ранее было показано, как формируется перепад давлений внутри материала и было отмечено, что он образуется за счет нахождения в материале газовой фазы. Поэтому если массу во время формования подвергнуть вакуумированию, то количество воздуха в ней резко понизится. Совмещая этот процесс с одновременным предварительным разогревом смеси, можно значительно снизить возникающие на первой стадии тепловой обработки внутренние напряжения в материале. Следовательно, можно увеличить допустимую скорость нагрева изделия, сократив, тем самым, длительность общего цикла пропаривания.

Период изотермической выдержки с точки зрения нарушений в структуре материала является наиболее спокойным, поскольку Vi° и VP сначала уменьшаются, а затем практически исчезают.

Период охлаждения для материалов, набирающих прочность за счет гидратационного твердения, является самым ответственным. Если в первый период частичные нарушения структуры могут залечиваться вследствие углубления реакций гидратации, то в третий период этих залечиваний в большом объеме происходить не может.

4. Расчет состава