BÀI GIẢNG môn học vật LIỆU xây DỰNG THIẾT BỊ GIA CÔNG NHIỆT ẨM

BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LIỆU XÂY DỰNG CHƯƠNG 7 THIẾT BỊ GIA CÔNG NHIỆT ẨM 7 1 Cơ sở lý thuyết dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tông Đặc điểm của gia công nhiệt (GCN) Sản phẩm Bê tông cốt thép (BTCT) sau khi tạo h.

CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ GIA CÔNG NHIỆT ẨM

7.1 Cơ sở lý thuyết dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tông

* Đặc điểm của gia công nhiệt (GCN)

Sản phẩm Bê tông cốt thép (BTCT) sau khi tạo hình cần 1 thời gian rất dài để cho bê tông phát triển cường độ GCN là 1 biện pháp tích cực để thúc đẩy quá trình rắn chắc BT trong điều kiện sản xuất trong nhà máy.

- Ưu điểm chính của GCN là:

+ Đảm bảo nhịp độ sản xuất, giảm thời gian chu trình tạo hình

+ Tăng số vòng quay của khuôn và các trang thiết bị công nghệ khác

+ Cho phép đảm bảo năng suất sản lượng sản phẩm

+ Cho phép có được BT cường độ khá cao từ các chất kết dính ít hoặc không có hoạt tính ở nhiệt độ thường

-Nhược điểm: có những tổn hại cấu trúc nhất định trong BT sau khi GCN do quá trình đốt nóng tạo nên.

Do đó: 1 chấp nhận giảm chất lượng BT (BT gia công nhiệt sau 28 ngày tiếp tục cứng rắn ở điều kiện thường có thể có cường

độ R28 thấp hơn so với BT cứng rắn ở ĐK chuẩn (tự nhiên) 10 ÷20%).

2 Phải tăng lượng dùng xi măng để bù lại sự giảm R28 nói trên, lúc này sẽ dẫn đến tăng giá thành sản phẩm.

* Đặc điểm vật liệu cần gia công nhiệt

Bê tông = CKD + Cốt liệu + Nước + Phụ gia

CKD: sử dụng xi măng pooclăng có hàm lượng thành phần khoáng:

→ Để tăng chu kỳ quay vòng khuôn và giảm diện tích sân bãi, người ta áp dụng biện pháp

dưỡng hộ nhiệt ẩm ở điều kiện nhiệt độ cao (t≥80 o C) và độ ẩm cao (φ=100%).

Ví dụ: Cấu kiện bê tông nặng xi măng PC

Khi t H2O tăng → thời gian gia công nhiệt giảm, tuy nhiên đối với từng sản phẩm cần phải tiến hành thực nghiệm cụ thể.

-Đặc thù loại chất kết dính: Bê tông sử dụng xi măng PC, PCB dưỡng hộ ở điều kiện nhiệt ẩm thường (chu

kỳ hoặc liên tục).

-Bê tông silicat (CKD có XM + vôi + Cát nghiền) cần dưỡng hộ ở thiết bị Autoclave (hoạt động theo chu kỳ) có nhiệt độ cao t→ 180÷192 o C, áp suất cao p→18 at, thông thường do điều kiện thiết bị p = 8÷9 at.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả GCN

• Ảnh hưởng của loại xi măng: Loại xi măng cho hiệu quả GCN cao là loại đảm bảo cho BT với 1 lượng dùng xi măng nhỏ nhất có cường độ tương đối và tuyệt đối lớn nhất trong 1

• Thành phần khoáng của xi măng: ảnh hưởng lớn đến quá trình rắn chắc của BT GCN.

Xi măng cho hiệu quả GCN cao hơn cả là C3S (C3S = 50÷60%), C3A = 6÷9%

+ C3A thủy hóa nhanh ngay thời kỳ đầu tạo điều kiện thuận lợi cho việc thủy hóa C3S

*Nếu dùng xi măng có C3A nhỏ hơn giá trị trên (2÷5%) thì BT phát triển cường độ chậmtrong 8 giờ đầu

*Nếu dùng xi măng có C3A ≥10% thì BT phát triển cường độ nhanh trong thời gian đầunhưng có cường độ sau khi GCN thấp và đến tuổi 28 ngày vẫn còn thấp hơn 10÷20% sovới khi cứng rắn ở điều kiện tiêu chuẩn

Nhiệt thủy hóa (Heat of hydration) là nhiệt sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng Nhiệt thủy

hóa của xi măng thường được thử nghiệm theo 2 phương pháp:

TCVN 6070 (tương tự ASTM C186 đã hết hiệu lực), phương pháp này tương đối thủ công

ASTM C1702, sử dụng thiết bị Calorimeter đẳng nhiệt, phương pháp này khá hiện đại và là

hiện hành của ASTM, tuy nhiên thời gian đo tối đa 7 ngày

• Nhiệt thủy hóa trên một đơn vị khối lượng của các khoáng được

xếp theo thứ tự giảm dần: (Dữ liệu từ Insee)

C 3 A (1356 J/gr) > C 3 S (510 J/gr)>C 4 AF (427 J/gr) >C 2 S (247 J/gr)

• Ảnh hưởng của phụ gia (PG): Sử dụng PG rắn nhanh là một biện pháp có hiệu quả để thúc

đẩy quá trình rắn chắc của BT GCN

cường độ tương đối

- Dùng phụ gia HHXK với hàm lượng 3%XM cho phép có thể tiết kiệm được 10% ximăng mà không giảm cường độ BT.

- Ngoài ra dùng 1 số phụ gia rắn nhanh còn tạo điều kiện hình thành cấu trúc đặc chắc của

BT và giảm thời gian GCN

Vídụ: Phụ gia HHK và HHXK cho phép có thể giảm thời gian hằng nhiệt từ 8 giờ xuống

4 giờ (giảm 2 lần) mà không làm giảm cường độ BT sau khi gia công nhiệt

• Tỉ lệ N/X gây ảnh hưởng lớn đến hiệu quả GCN (Bảng sau)

- Khi sử dụng HHBT với tỉ lệ N/X<0.45 cho phép giảm thời gian tĩnh định, tăng nhiệt với tốc

độ nhanh, rút ngắn thời gian hằng nhiệt dẫn đến tổng thời gian quá trình GCN giảm

- Sử dụng đồng thời phụ gia tăng dẻo (PGTD) (SD), phụ gia rắn nhanh (PGRN) cho phép cóthể giảm tỷ lệ N/X trong HHBT mà không làm giảm tính công tác, rút ngắn thời gian tĩnhđịnh và GCN BT sau khi tạo hình

A- Chế độ GCN BT ở áp suất thường

Thời gian nâng nhiệt τ n phụ thuộc vào tốc độ nâng nhiệt v n,

Từ vận tốc nâng v n và nhiệt độ hằng nhiệt Tmax đã chọn: ta có τ n =(T max -T o )/v n

Trong đó To là nhiệt độ sản phẩm trước lúc gia công nhiệt

+ Tốc độ nâng nhiệt được chọn phụ thuộc vào cường độ ban đầu Rbđ của BT (Bảng sau), bề dày

4 Hạ nhiệt

Thời gian hạ nhiệt được quyết định bởi tốc độ hạ nhiệt vhạ

Người ta thường lấy vhạ≤35 oC/h đối với các sản phẩm mỏng (dạng tấm); vhạ ≤ 30oC/h đối vớicác loại sản phẩm khác

Chỉ được lấy sản phẩm ra khỏi bể hoặc các thiết bị GCN khác khi chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và môi trường xung quanh không quá 40 o C.

C- Các thiết bị dưỡng hộ nhiệt ẩm

1 Phân loại

*Theo nhiệt độ T và áp suất P của môi trường người ta chia ra 2 loại:

+ GCN ở áp suất thường (T=60÷100oC): GCN ở áp suất thường áp dụng cho các loại BT ximăng thường

+ GCN trong Autoclave (chưng áp P = 8 ÷18 at, T = 175 ÷205oC): Á p dụng cho các loại BTdùng CKD hỗn hợp: XM+Vôi+Cát nghiền; CKD silicat: Vôi + Cát nghiền…

* Theo chu kỳ làm việc: Hoạt động theo chu kỳ hoặc liên tục

* Theo đặc trưng quá trình dưỡng hộ:

+ Dưỡng hộ nhiệt ẩm thường

+ Dưỡng hộ cao áp

→ GCN BT thường phải tiến hành cho đến khi đạt các cường độ yêu cầu: cường độ tháo

khuôn, cường độ buông lực căng cốt thép ứng suất trước đồng thời phải đảm bảo đạt mác thiết kế của BT không muộn hơn 28 ngày kể từ khi chế tạo sản phẩm

Dùng bể thường như trên khó đạt được sự đồng đều theo chiều cao bể.

Để khắc phục hiện tượng trên người ta còn dùng:

+ Bể theo kết cấu của Xemenov L.A (đọc Mục VII.3.2 trang 296-298)

+ Đốt nóng tiếp xúc cho BT được tiến hành khi tạo hình sản phẩm trong các khuôn có áo hơi(khoang nhiệt và vách nhiệt); ví dụ trong thiết bị casset (đọc Mục VII3.6) trang 301 sáchTBN)

+ GCN bằng hơi nước hoặc khínóng trong các buồng (kiểu tuynel) vận hành liên tục được

áp dụng cho các dây chuyền tạo hình liên tục (Mục VII.4.1)/306 sách TBN

- Dần dần mở ống cấp hơi vào bể từ phía dưới bể

- Á p suất và nhiệt độ trong bể tăng dần đến giới hạn theo điều chỉnh của ống đo nhiệt độ khống chế lượng hơi nước cho vào bể

- Kết thúc chu kỳ dưỡng hộ: xả nước ở van thủy kênh quạt hút và mở quạt hút làm nguội bể.

* Xu thế phát triển bể dưỡng hộ ngày càng tăng do:

+ Tiết kiệm chi phí: Thuê mặt bằng, đầu tư và sản xuất,…

+ Đáp ứng tiến độ thi công, cung ứng sản phẩm cùng với nhu cầu ngày càng đa dạng về chủng loại sản phẩm -Thiết kế:

+ Chiều dày của khuôn có thể lấy 50 mm

+ Khoảng cách giữa các sản phẩm trong bể khoảng 30 mm

+ Khoảng cách giữa sản phẩm đến tường trong: 100 mm

+ Khoảng cách sản phẩm đến nền 200 mm

+ Khoảng cách sản phẩm đến mặt dưới của nắp: 30 mm

+ Với các kết cấu bao che: Tường, nền, nắp→ Yêu cầu: cách hơi

- Nền: Đảm bảo chịu lực, cách ẩm, cách nhiệt và có độ dốc 0,5%-1% để gomnước vào hố xả

Dưới cùng là lớp đất nền đầm chặt, tiếp là bê tông lót móng, vật liệu cách ẩm vàtrên cùng là bê tông chịu lực và cách nhiệt

- Tường: Các bể dưỡng hộ thường phần lớn thể tích nằm sâu dưới đất với mụcđích giảm chiều cao kết cấu xưởng cũng như thiết bị nâng cẩu.Tường thành: Bêtông cốt thép, cách hơi

- Nắp bể: Phải đảm bảo cách hơi, cách nhiệt tốt và đủ độ cứng để có thể cẩu lắpsau mỗi chu kỳ dưỡng hộ Nắp cách hơi cách nhiệt và đủ độ cứng gồm 3 lớp:Lớp thép (khoảng 150mm), bông khoáng 200mm, thép 6mm

Cấu tạo bể dưỡng hộ thường

- Các thiết bị đảm bảo kín hơi cho bể:

+ van thủy: Kết cấu kín khínắp bể gồm 2 phần:

Thép chữ U: Liên kết với tường bể→ đựng nước

Thép tấm (phần lược): hàn cố định với nắp bể

+ Van để đuổi không khílạnh ra ngoài

+ Ống thu hồi nước đọng: tránh chi phínhiệt mất để làm bốc hơi nước đọng-Ống cấp hơi: Có nhiều phương án cấp:

+ Chỉ cấp trên hoặc dưới

+ Cấp cả trên và dưới (kiểu Xemenov L.A)

Theo phương án cấp cả trên và dưới sẽ đảm bảo đồng đều nhiệt độ trong bể:

*Quá trình nâng nhiệt: Đầu tiên khínóng được cấp từ trên xuống dưới, sau khi trao nhiệtcho cấu kiện khí nguội đi và chìm xuống Khí lạnh được hút ra ở phía dưới Sau đó, cấptiếp khínóng vào từ các ống bên dưới

* Quá trình làm nguội: Khínóng sẽ được thu hồi qua các cửa được bố tríphía trên bể, khílạnh được cấp vào qua các cửa bên dưới

2.2 Thiết bị dưỡng hộ Autoclave

+ Môi trường dưỡng hộ: Á p suất cao P= 8÷10 at → 18 (at), Nhiệt độ cao t→175÷205oC+ Thành và nắp autoclave phải chịu được áp lực cao

+ Theo kích thước, thường sản xuất các loại có Dtr = 2; 2.6 m; 3.6 m; L = 19 m, 21 m, 27

m, 32 m

+ Theo chiều vận chuyển cả vagoong có loại 1 cửa và loại 2 cửa

Đặc điểm của GCN trong Autoclave

+ Do đảm bảo sự cân bằng trạng thái giữa pha hơi và pha lỏng cho nên cho dù ở nhiệt

độ trên 100 o C, nước trong sản phẩm vẫn tồn tại ở pha lỏng→ thúc đẩy quá trình phát

triển cường độ BT, tạo điều kiện cần thiết cho việc hình thành những hợp chất mới có khả

năng kết dính cao từ các cấu tử vôi-silic

+ Ở điều kiện GCN autoclave: Các cấu tử silic nghiền mịn (Cát, xỉ, tro nhiệt điện…) phản

ứng với hidroxit canxi (Ca(OH)2, đicanxi silicat C2SH, Hidro aluminat canxi C3AHn và

hidroferit canxi CFH để tạo nên các sản phẩm xi măng hóa dạng CSH và C3ASnHn (những

hợp chất kết tinh ổn định và có cường độ cao

+ Cho phép tăng cường độ BT từ CKD ít hoạt tính hoặc không có hoạt tính ở điều kiện

thường hoặc khi GCN ở áp suất thường

+ Hạn chế biến dạng co ngót, tăng khả năng chống sunfat và độ bền chống xâm thực của BT

trong quá trình sử dụng

-GCN Autoclave được áp dụng chủ yếu cho những sản phẩm tạo hình từ HHBT silicat, BT

tổ ong mà trong đó phần lớn xi măng được thay thế bằng chất kết dính vôi-silic Đôi khi

người ta cũng GCN Autoclave cho sản phẩm BTTO dùng chất kết dính xi măng

Ưu điểm của gia công nhiệt trong autoclave

Thông tin thêm

Hồ xi măng làm rắn hóa cấu trúc xung quanh các hạt xi măng

• Phản ứng thủy hóa C 3 A xảy ra rất nhanh

• Nếu phản ứng này không được kiểm soát, sẽxảy ra hiện tượng flash set (đông kết nhanh), lớp hồ/vữa bị mất tính công tác rất nhanh nhưng không phát triển được cường độ

Thông tin thêm

Quá trình GCN autoclave có thể được chia ra thành 5 giai đoạn

- Giai đoạn 1:

Quá trình cấp hơi nước vào Autoclave cho đến khi đạt 100 oC Ở giai đoạn này có sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường Autoclave và bề mặt sản phẩm (Chừng 30-50 oC), cũng như

sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp BT phía ngoài và phía trong giữa sản phẩm

→ xuất hiện các nội ứng suất và có thể gây các tổn hại cấu trúc BT như khi đốt nóng

- Giai đoạn 2:

Nâng áp suất (khi đó khi nhiệt độ môi trường Autoclave lớn hơn 100 oC) Á p suất tăng thúcđẩy sự trao nhiệt cho BT, sản phẩm được đốt nóng nhanh theo toàn bộ tiết diện

Bắt đầu từ thời điểm hạ áp suất Giai đoạn này nhiệt độ sản phẩm lớn hơn của môi trường

xảy ra hiện tượng hóa hơi nước trong các lỗ rỗng của BT và sự chuyển dịch áp suất, nhiệt độ,hơi nước từ các lớp BT phía trong ra phía ngoài sản phẩm và bay hơi nước từ bề mặt của nó

ra môi trường

+ Trước khi GCN cũng phải tĩnh định để BT có cường độ cấu trúc ban đầu cần thiết đủ chống lại các ứng suất phát sinh trong thời kỳ nâng nhiệt.

+ Tạo nên một áp suất dư Pa của môi trường Autoclave lớn hơn áp suất P b trong các phần rỗng của BT ở giai đoạn 1 của quá trình chưng áp.

+ Hạ áp suất theo từng bậc, mỗi bậc chỉ chừng 1÷2 at.

+ Căn cứ vào loại CKD, những đặc điểm kết cấu của sản phẩm, loại HHBT và các yêu tố khác như:

độ đặc, độ rỗng, tính chất rỗng, độ ẩm yêu cầu của BT sau khi GCN.

+ Sản phẩm trước khi GCN Autoclav phải được tĩnh định để BT đạt được cường độ ban đầu cần thiết Thời gian tĩnh định được chọn phụ thuộc vào độ cứng và loại HHBT

τ1= τtĩnh định = 1÷3 h đối với BT nặng (đặc)

= 3÷5 h đối với BT silicat khí

= 5÷8 h đối với BT bọt

C- Chế độ GCN BT trong Autoclave

- Á p suất lớn nhất trong giai đoạn hằng nhiệt là một thông số rất quan trọng vìnếu P max càng lớn thìcho phép đạt nhiệt độ T max càng cao:

+ Á p suất tối ưu Pt.ư =12÷16 at đối với BT có 1 phần xi măng pooclang

+ Á p suất tối ưu Pt.ư=15÷18 at đối với BT không dùng xi măng tức là dùng CKD vôi-silic cát, vôi-tro bay,…)

(Vôi Thời gian hằng nhiệt τh được chọn căn cứ vào áp suất đã định, khi gia công với Pmax cao thìcho phép giảm thời gian τh và ngược lại nếu GCN ở áp suất Pmax nhỏ thìphải kéo dài thờigian hằng nhiệt τh:

+ Khi P max = 12÷16 at thường lấy τ h = 4 ÷6 h

+ Khi P max < 10 at thường lấy τ h = 5 ÷10 h

- Đối với 1 loại BT nhất định khi GCN ở 1 áp suất nào đó sẽ có 1 thời gian tối ưu Nếu GCN

với τh< τh.tối.ư thì chưa đạt được cường độ cao nhất của BT còn nếu τh>τh.tối.ư có thể không

làm tăng cường độ BT mà thậm chícòn làm giảm cường độ BT đã đạt được

- Để giảm thời gian làm nguội và làm nguội đồng đều sản phẩm cũng như giảm độ ẩm của BT

nhất là BT tổ ong, sau khi hạ áp suất người ta còn tiến hành chân không hóa không gian

autoclave (với áp suất chân không 0.25 ÷ 0.6 at trong khoảng 0.5÷2 h).

- Sau đó sản phẩm được làm nguội tiếp đến 40÷50 oC trong Autoclave để ngỏ chừng 30 phút

nữa

Sơ đồ cấu tạo Autoclave

1 2 3

*Thiết bị điều chỉnh áp suất: Được bố trí trên hệ thống đường cấp hơi.

*Ống xả nước đọng: Được bố trí phía bên dưới, khi hơi nước tiếp xúc với cấu

kiện lạnh sẽ tạo thành nước giọt, lượng nước này được thải ra qua ống xả

* Ống thu hồi hơi: giúp thu hồi hơi trong quá trình giảm áp của autoclave

Sơ đồ cấp hơi vào Autoclave

Sơ đồ cấp hơi vào Autoclave

A: Ống cấp hơi phần trên AutoclaveB: Ống cấp và xả hơi phía dưới

Lựa chọn phương án cấp hơi

+ Trường hợp 1 autoclave làm việc:

Giai đoạn đốt nóng: Hơi nước được cấp từ cả 2 van phía trên để đuổi hết khílạnh ra ngoài qua

hệ thống van thoát phía dưới

Giai đoạn nâng nhiệt và hằng nhiệt: Mở các ống cấp hơi từ bên dưới và đóng mở lần lượt của

các van phía trên, ta tạo được sự đối lưu cũng như điều chỉnh áp suất trong bể

+ Trường hợp nhiều autoclave cùng làm việc:

Để tận dụng được lượng hơi giữa các autoclave, cần thiết phải bố trícác giai đoạn dưỡng

hộ giữa các autoclave lệch nhau.

Tính toán phương trình cân bằng nhiệt

Cần chia chu kỳ gia công nhiệt qua các giai đoạn và tính cân bằng nhiệt từng giai đoạn cụ thể, ta sẽ biết được lượng chi phí hơi cần thiết tương ứng từng giai đoạn→Tổng lại ta sẽ được chi phíhơi cần cấp cho toàn bộ chu kỳ.

Các giai đoạn cần tính chi phí hơi: Nâng nhiệt và hằng nhiệt

-Phần nhiệt cung cấp: Bê tông, cốt thép, khuôn, thiết bị vận chuyển, nhiệt thủy hóa,

nhiệt do hơi cấp vào

-Phần nhiệt tiêu tốn: Đốt nóng khuôn, thiết bị vận chuyển, lượng nước đọng thải ra

ngoài,…

Chọn thiết bị cấp nhiệt và các thiết bị nhiệt phụ trợ

Bảng tra giá trị enthalpy của nước (hơi nước) tại các nhiệt độ khác nhau

* Ống dẫn hơi nước: các đường ống cấp nhiệt đều phải bọc cách nhiệt tốt

Một số hình ảnh thiết bị Autoclave

Công nghệ sản xuất bê tông khí AAC (Autoclaved Aerated Concrete)