Trocknung von Ziegel

Trocknung von Ziegelrohlingen – Praxisauswirkungen neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse
Der Beitrag beschreibt die Schwindungsvorgänge
beim Trocknen sowie die Einflüsse des Feuchteleitkoeffizienten. Mithilfe eines Rechenmodells, das
Trocknungsverläufe berechnet, können Einsparpotenziale bei der Trockenzeit ermittelt werden. Das
Auftreten von Trockenrissen und Trockenausblühungen kann durch eine Änderung der Trocknungsbedingungen beeinflusst werden.
Schwindungsvorgänge
Eine Ziegelmasse muss relativ viel Wasser enthalten, um die
zur Formgebung notwendige Plastizität zu erlangen. In der
Regel weist ein stranggepresster Formling so viel Feuchtigkeit
auf, dass die Tonteilchen von allen Seiten mit Wasser umgeben sind. Beginnt er zu trocknen, so verdampft Wasser an seiner Oberfläche. Bis zu einem Grenzfeuchtegehalt vollzieht
sich die Wasserabgabe dadurch, dass die Feststoffpartikel
unter Verlust des sie umhüllenden Wassers näher zusammenrücken, bis sie sich gegenseitig berühren und aufeinander
abstützen. Dieser Grenzfeuchtegehalt ist im Bourry-Diagramm als Knickpunkt zu erkennen (siehe Bild 1).
Dipl.-Ing. Uta Telljohann, Dr.-Ing. Karsten Junge,
Dipl.-Ing. Dirk Deppe*
Drying of green bricks –
Practical effects of new
scientific findings
The paper describes the shrinkage processes in
drying and the influences of the moisture conduction coefficient. With the help of a calculation
model which calculates drying gradients, saving
potentials can be determined for the drying time.
The occurrence of drying cracks and drying efflorescence can be influenced by changing the drying
conditions.
Shrinkage processes
Bild 1: Das Bourry-Diagramm für eine tonige Masse [1]
Fig. 1: The Bourry diagram for a clayey mass [1]
A clay brick body must contain a relatively large amount of
water in order to attain the plasticity necessary for shaping. As
a rule, an extruded green brick has so much moisture that the
clay particles are surrounded with water on all sides. As it
begins to dry, water evaporates on its surface. Up to a limiting
moisture content, the release of water takes place in such a
way that the solid particles move closer together as they lose
the surrounding water, until they touch and support each
other. This limiting moisture content can be seen in the Bourry diagram as a salient point (see Figure 1).
With this, the shrinkage is concluded. The further loss of volume caused by the evaporation of water is compensated by
air penetrating into the pore system of the green brick. When
this process begins at the surface of the green brick, the brick
takes on a light grey colour here. At this point in time it has
exceeded the peak of its susceptibility to shrinkage cracking
and from now on it could be dried under sharper conditions.
With the further release of water, more and more air pores
occur, so that the routes available for the transport of water to
the surface of the green brick become fewer and fewer. If the
capillary forces are no longer sufficient to transport the water
from the interior to the surface, then the drying plane
migrates into the interior of the ware. With this, the second
drying phase begins.
The drying gradient does not always proceed exactly simultaneously within the green product. Shrinkage processes begin
* Institut für Ziegelforschung Essen e.V., D-45307 Essen
* Brick and Tile Research Institute Essen Regd (IZF), D-45307 Essen
ZI 3/2004
31
Damit ist die Schwindung abgeschlossen. Der weitere durch
die Wasserverdunstung verursachte Volumenverlust wird durch
eindringende Luft in das Porensystem des Ziegelrohlings kompensiert. Wenn dieser Vorgang an der Rohlingsoberfläche
beginnt, nimmt der Rohling hier eine hellgraue Färbung an.
Er hat zu diesem Zeitpunkt das Maximum seiner Schwindungsrissgefährdung überschritten und könnte von nun an unter
schärferen Bedingungen getrocknet werden. Bei weiterer Wasserabgabe entstehen immer mehr Luftporen, sodass die für
den Wassertransport an die Rohlingsoberfläche verfügbaren
Wege immer weniger werden. Reichen die Kapillarkräfte nicht
mehr aus, um das Wasser aus dem Inneren an die Oberfläche
zu transportieren, dann wandert der Trocknungsspiegel ins
Gutinnere. Damit beginnt der zweite Trocknungsabschnitt.
Der Trocknungsverlauf läuft dabei innerhalb des Rohlings
nicht exakt gleichzeitig ab. Schwindungsvorgänge beginnen
und enden oberflächennah früher als im Rohlingsinneren.
Durch diese zeitliche Diskrepanz entstehen im Rohling
Schwindungsdifferenzen, die Ursache für die Schwindungsrissgefährdung sind.
Kapillarer Wassertransport und
Feuchteleitfähigkeit
Während der Trocknung wird das Wasser durch das Kapillarsystem des Rohlings transportiert. Diese Flüssigkeitsbewegung
wird durch Kapillarkräfte hervorgerufen. In Bild 2 ist der
Druckverlauf in einem Modellkörper zu erkennen: Die Saugkraft von Kapillaren ist umgekehrt proportional zum Porenradius, d.h. je dünner die Kapillaren, desto größer ist ihr Saugvermögen. Das hat zur Folge, dass die dünneren Kapillaren
zuerst die dickeren aussaugen, bevor sie selbst austrocknen.
Bevor der Knickpunkt im Bourry-Diagramm erreicht wird, findet nur eine Verengung der Kapillaren dadurch statt, dass die
Tonteilchen auf Grund der Schwindung näher zusammenrücken. Danach dringt Luft in die größeren Kapillaren ein,
sodass es nunmehr zu einem stark zunehmenden Strömungswiderstand für das an die Oberfläche geleitete Wasser kommt.
Das führt zu einem rasanten Abfall der Feuchteleitfähigkeit
Bild 2: Druckverlauf in einem Modellkörper aus miteinander
widerstandslos verbundenen Kapillaren [2]
Fig. 2: Pressure curve in a model body from capillaries connected
with each other without resistance [2]
32
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and end close to the surface earlier than in the interior of the
product. Due to this discrepancy in time, shrinkage differences occur in the green brick, which are the cause of the
danger of shrinkage cracking.
Capillary water transport and moisture
conductivity
During drying, the water is transported through the capillary
system of the green brick. This movement of liquid is brought
about by capillary forces. The pressure curve in a model body
can be seen in Figure 2: The suction force of capillaries is
inversely proportional to the pore radius, i.e. the thinner the
capillaries, the greater is their suction capacity. This results in
the fact that the thinner capillaries first drain the thicker ones,
before they dry out themselves.
Before the salient point in the Bourry diagram is reached, only
a narrowing of the capillaries takes place due to the fact that
the clay particles move closer together on account of the
shrinkage. After that air penetrates into the larger capillaries,
so that a strongly increasing flow resistance now occurs for
the water conducted to the surface. This leads to a rapid drop
in moisture conductivity with decreasing moisture. All these
effects are comprised in the moisture conduction coefficient.
It indicates how well moisture can be conducted through a
capillary system. The mass flow density within the ware can
be described as follows:
dψ w
m· w = –κ ⋅ ρ w ⋅
dz
W
W
dW/dz
– Moisture conduction coefficient
– Density of water
– Liquid volume per m3 of total volume
– Moisture gradient which ensues in the ware and
is responsible for the crack formation
The moisture conduction coefficient is very heavily dependent
on the water content of the green brick. This applies especially for the area below the transition seen in the Bourry diagram between shrinkage and the opening of capillary spaces.
At the beginning of drying, all capillaries are still filled with
water and the moisture conductivity is relatively high. It
decreases slightly only due to capillaries becoming narrower.
Only when the larger capillaries fill from the outside with air
does a steep decline in moisture conductivity begin. Inside
the body, where the capillaries are still filled with water, the
moisture conduction coefficient is still large. A moisture gradient forms at the surface of the ware. As drying advances,
more and more pores fill with air, which leads to a constant
decrease of the moisture conductivity. The moisture gradient
at the surface of the green brick becomes greater and greater.
On exceeding the limiting speed of the water transport into
the remaining narrow capillaries, which leads to the transition
into the second drying phase, the flow stops and the moisture conductivity becomes zero.
The moisture conduction coefficient, due to its strong moisture dependence, is by no means a constant that is only
dependent on the material. It was already determined in
many investigations for different materials – for brick clays,
however, there are no values for it in the literature. The few
investigation results available for clay have been presented in
summary by Krischer. However these are only individual
points for different moisture contents (Figure 3). On the basis
of these points one can assume that the moisture conduction
mit abnehmender Feuchte. Im Feuchteleitkoeffizienten sind
alle diese Effekte zusammengefasst. Er gibt an, wie gut Feuchte durch ein Kapillarsystem geleitet werden kann. Die Massenstromdichte innerhalb des Gutes lässt sich folgendermaßen beschreiben:
dψ w
m· w = –κ ⋅ ρ w ⋅
dz
W
W
dW/dz
– Feuchteleitkoeffizient
– Dichte von Wasser
– Flüssigkeitsvolumen je m3 Gesamtvolumen
– Feuchtegradient, der sich im Gut einstellt und
für die Rissbildung verantwortlich ist
Der Feuchteleitkoeffizient ist sehr stark vom Wassergehalt
des Rohlings abhängig. Das gilt besonders für den Bereich
unterhalb des im Bourry-Diagramm zu erkennenden Übergangs zwischen Schwindung und dem Öffnen von Kapillarräumen.
Am Anfang der Trocknung sind noch alle Kapillaren mit Wasser gefüllt und die Feuchteleitfähigkeit ist relativ hoch. Sie
nimmt lediglich auf Grund enger werdender Kapillaren
geringfügig ab. Erst wenn die größeren Kapillaren sich von
außen mit Luft füllen, beginnt ein Steilabfall der Feuchteleitfähigkeit. Im Inneren des Körpers, wo die Kapillaren noch
wassergefüllt sind, ist der Feuchteleitkoeffizient weiterhin
groß. Es bildet sich ein Feuchtegradient an der Gutoberfläche.
Mit fortschreitender Trocknung füllen sich immer mehr Poren
mit Luft, was zu einem ständigen Abfall der Feuchteleitfähigkeit führt. Der Feuchtegradient an der Rohlingsoberfläche
wird immer größer. Beim Überschreiten der zum Übergang in
den zweiten Trocknungsabschnitt führenden Grenzgeschwindigkeit des Wassertransportes in den noch verbliebenen
engen Kapillaren reißt die Strömung ab, und die Feuchteleitfähigkeit wird null.
Der Feuchteleitkoeffizient ist, wegen seiner starken Feuchteabhängigkeit, keinesfalls eine nur vom Material abhängige Konstante. Er wurde bereits in vielen Untersuchungen für verschiedene Stoffe ermittelt – für Ziegeltone existieren jedoch in der
Literatur keine Werte dafür. Die wenigen Untersuchungsergebnisse, die für Tone vorliegen, hat Krischer zusammenfassend dargestellt. Es handelt sich hierbei jedoch nur um Einzelpunkte bei unterschiedlichen Feuchtegehalten (Bild 3).
Auf Grund dieser Punkte kann man vermuten, dass sich der
Feuchteleitkoeffizent ähnlich wie in Bild 3, als rote Kurve eingezeichnet, verhält. Hier ist die Abhängigkeit vom Wassergehalt oberhalb des Knickpunktes derart gering, dass sie in der
gewählten halblogarithmischen Darstellung unauffällig bleibt.
Bei Feuchtegehalten unterhalb des hier erkennbaren Knickpunktes wird dagegen ein zunehmender Steilabfall der Feuchteleitfähigkeit erwartet. In der halblogarithmischen Darstellung dürfte sich hier ebenfalls eine jetzt relativ steile Gerade
ergeben.
Die Feuchteleitfähigkeit ist außerdem temperaturabhängig.
Sie ist proportional zur Oberflächenspannung und umgekehrt
proportional zur Viskosität von Wasser [3]. Die Oberflächenspannung sinkt nur leicht mit steigender Temperatur,
während die Viskosität von Wasser bei höheren Temperaturen
relativ stark abfällt. So steigt der Feuchteleitkoeffizient mit der
Temperatur an, wie in Bild 4 gezeigt wird.
Die in diesem Bild dargestellte Temperaturabhängigkeit des
Feuchteleitkoeffizienten ist im Vergleich zu der Abhängigkeit
vom Feuchtegehalt zwar sehr gering, die Temperaturabhängigkeit ist dennoch im schwindungsbehafteten Trocknungs-
Bild 3: Feuchteleitkoeffizienten in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt [2]
Fig. 3: Moisture conduction coefficient as a function of the
moisture content [2]
coefficient behaves in a similar manner as in Figure 3, drawn
as a red curve. Here the dependence on the water content
above the salient point is so small, that it remains inconspicuous in the selected floating point representation. On the other
hand, for moisture contents below the salient point recognizable here, an increasingly steep drop in the moisture conduc-
Bild 4: Temperaturabhängigkeit der Feuchteleitfähigkeit
Fig. 4: Temperature dependence of the moisture conductivity
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33
abschnitt gegenüber anderen Einflüssen dominierend. So lässt
sich die Feuchteleitung durch Anheben der Rohlingstemperatur verbessern. Auf diese Weise können Feuchtegradienten im
Material vermindert und die Rissgefährdung kann herabgesetzt werden.
Ergebnisse aus einem Rechenmodell
Im IZF wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das
Trocknungsverläufe berechnet. Bild 5 zeigt Ergebnisse zur
Simulationsrechnung einer 20 mm dicken Platte, die beispielsweise einem Dachziegel entspricht.
Die Trocknung verläuft symmetrisch, sodass die Darstellung
einer Plattenhälfte ausreicht. Die linke Spalte enthält im oberen Teil Angaben (Eingabegrößen) zur Charakterisierung dieser Platte, der Umgebungsluft und des Wärmeübergangs zwischen Luft und Platte. Darunter folgen Rechenergebnisse, die
sich allerdings – falls nicht anders angegeben – auf den Endzustand der Trocknung beziehen. Interessant sind die beiden
rechts neben der Tabelle entwickelten Teilbilder.
Im oberen Teilbild sind für Zeitabstände von jeweils 15 min
Kurven des sich über die halbe Plattendicke einstellenden
Feuchtegehaltes eingezeichnet. Der obere Bildrand steht
dabei für den Anfangswassergehalt (in diesem Fall 25 Masse%). Es ist zu erkennen, dass die Flächen zwischen jeweils
zwei benachbarten Kurven bis zum Erreichen der roten Linie
(sie markiert das Ende des ersten Trocknungsabschnittes)
jeweils gleich groß sind, weil sich die Trocknungsgeschwindigkeit im ersten Trocknungsabschnitt nicht ändert. Etwa
135 min nach Trocknungsbeginn ist die Oberfläche so weit
getrocknet, dass ihr Wasserverlust nicht mehr durch Schwindung ausgeglichen werden kann. Das Schwindungsende ist
im Bild durch eine horizontale blaue Linie gekennzeichnet.
Der oberflächliche Wassergehalt hat nun diese blaue Linie
unterschritten. Von jetzt an füllen sich bei weiterer Trocknung zunächst die dickeren, dann auch dünnere Poren mit
Luft. Die Rohlingsoberfläche wird hellgrau, die Feuchteleitfähigkeit sinkt immer steiler werdend ab, sodass der Feuchtegradient in Oberflächennähe sehr groß wird. Nach knapp
165 min hat auch der Rohlingskern das Schwindungsende
erreicht.
Im weiteren Verlauf der Trocknung vermindert sich die
Schwindungsrissgefährdung. Nach 3 h 35 min – der mittlere
Wassergehalt beträgt nur noch 8 Massen-% – ist der erste
Plattendicke in mm
Dichte der trockenen Masse in kg/m3
Anfangswassergehalt in kg/kg atro
lineare Trockenschwindung in %
Wassergehalt beim Schwind.-Ende in kg/kg
Anf.-Feuchteleitf. bei 25 °C in 10ˆ(–9) m2/s
Wärmeleitkoeff. der trock. Platte in W/(mK)
Diff.-Widerstandszahl der trockenen Masse
Wärmeübergangskoeffizient in W/(m2 K)
anfängliche Lufttemperatur in °C
anfängliche Kühlgrenztemperatur in °C
Anstieg Lufttemp. in K/h n. Schwind. Ende
– oder Anstieg Lufttemp. im 2. TroAbschn.
maximale Lufttemperatur in °C
Wassergehalt der trock. Zuluft in kg/kg
laufende Zeit in hh : mm : ss
momentane Lufttemperatur in °C
Oberflächentemperatur in °C
Temperatur des Kerns in °C
Kühlgrenztemperatur in °C
20,0
1800
0,25
6,2
0,125
80
1,2
8
30
50
30
0
50
100
,0195
5:34:18
100
86,9
83,7
38,3
Zeitabhängige, örtliche Wassergehalte blau: Schwindungsende rot: Ende des ersten Trocknungsabschnittes
100
,25
Wärmestromdichte in kW/m
Verdunstungsrate in kg(m3 h)
mom. Wassergehalt in kg/kg atro
3
Dauer des 1. TroAbschn. in hh : mm : ss
danach Wassergehalt in kg/kg atro
,39
,5
< ,01
H2O
kg/kg
atro
°C
3:29:01
,082
Dauer der Oberflächenschw. in hh : mm : ss 2:15:43
dabei Differenz der lin. Schwindung in %
1,18
Dauer der Kernschwindung in hh : mm : ss 2:50:47
0
0
Zeit in s
30
20058
Zeitliche Verläufe von Luft-, Kern-, Oberflächentemperatur, Trocknungsgeschwindigkeit und Wasserhalt
Oberflächen- und Kernschwindung sind blau markiert
Bild 5: Trocknung einer 20 mm dicken Platte
34
ZI 3/2004
tivity is expected. In the floating point representation a now
relatively steep straight line should also result here.
In addition the moisture conductivity is temperature-dependent. It is proportional to the surface tension and inversely proportional to the viscosity of water [3]. The surface tension
sinks only slightly as the temperature increases, whereas the
viscosity of water declines relatively strongly with higher temperatures. So the moisture conduction coefficient increases
with the temperature, as shown in Figure 4.
Although the temperature dependence of the moisture conduction coefficient as shown in this Figure is very small in
comparison to the dependence on the moisture content, the
temperature dependence is nevertheless dominating in the
drying phase subject to shrinkage compared to other influences. Therefore the moisture conduction can be improved
by raising the temperature of the green brick. In this way
moisture gradients in the material can be reduced and the
danger of crack formation decreased.
Results from a calculation model
At the Brick and Tile Research Institute (IZF) a mathematical
model was developed, which calculates drying curves. Figure 5
shows results relating to the simulation calculation of a
20 mm thick slab, which corresponds for example to a clay
roofing tile.
Drying proceeds symmetrically so that the presentation of
one half of a slab is sufficient. The left-hand column in the
upper section contains details (input values) on the characterization of this slab, the ambient air and the heat transition
between air and slab. Below that are calculation results which
however – unless indicated otherwise – refer to the end state
of drying. The two partial pictures shown on the right of the
table are interesting.
Drawn into the upper partial picture are curves of the moisture content occurring over half the slab thickness for time
intervals of 15 minutes each. The upper edge of the picture
stands for the starting water content (in this case 25% by
mass). It can be seen that the areas between two neighbouring curves are the same size in each case until the red line is
reached (this marks the end of the first drying phase),
because the drying speed in the first drying phase does not
change. About 135 minutes after the start of drying, the surface is dried so far, that its water loss can no longer be compensated by shrinkage. The end of shrinkage is marked in the
picture by a horizontal blue line. The surface water content
has now fallen short of this blue line. From now on, with further drying, first the thicker and then also thinner pores fill
with air. The surface of the green brick becomes light grey,
the moisture conductivity drops increasingly steeply, so that
the moisture gradient close to the surface becomes very
large. After just under 165 minutes the core of the green brick
has also reached the end of shrinkage.
In the further course of drying the danger of shrinkage cracking diminishes. After 3 hours and 35 minutes – the average
water content amounts to only 8% by mass – the first drying
phase is concluded; the moisture at the surface has dropped
to zero. From now on the drying plane withdraws into the
interior of the green brick. The air temperature is heated from
now on at a rate of 50 K/h in order to accelerate drying. The
entire process is ended after 5 hours and 35 minutes.
In the lower partial picture the time history of
n the average moisture content is marked in black
n the drying speed – in green
Trocknungsabschnitt beendet; die Feuchte ist an der Oberfläche auf null abgesackt. Ab jetzt zieht sich der Trocknungsspiegel in das Innere des Rohlings zurück. Die Lufttemperatur
wird von nun an mit 50 K/h aufgeheizt, um die Trocknung zu
beschleunigen. Der gesamte Vorgang ist nach 5 h 35 min
beendet.
Im unteren Teilbild ist der zeitliche Verlauf
n des mittleren Feuchtegehaltes – schwarz
n der Trocknungsgeschwindigkeit – grün
n der Lufttemperatur – rot
n der Oberflächentemperatur – blau
n der Kerntemperatur – violett
aufgetragen. Ferner markieren eine rote, vertikale StrichPunkt-Linie das Ende des ersten Trocknungsabschnittes und
zwei blaue, vertikale Strich-Punkt-Linien das Schwindungsende an der Rohlingsoberfläche und im Rohlingskern.
Wenn die Schwindung an der Oberfläche beendet ist, herrscht
innerhalb des Rohlings die höchste Schwindungsdifferenz zwischen innen und außen. Diese ist in der im Bild
links befindlichen Tabelle mit 1,18 % angegeben. Danach
geht die Schwindungsrissgefährdung zurück. Daher kann
man die Lufttemperatur schon nach dem Ende der Oberflächenschwindung anheben. So lässt sich die Trocknungsdauer auf 4 h 50 min verkürzen (siehe Tabelle 1, Beispiel 2).
Eine weitere Möglichkeit, die Rissgefährdung weiter herabzusenken, ist es, die Kühlgrenztemperatur anzuheben. Dadurch
wird die Feuchteleitung innerhalb der Masse verbessert, und
auf diese Weise werden Schwinddifferenzen vermindert. Wie
in Tabelle 1 zu erkennen ist, sinkt die maximale Schwinddifferenz bei Anhebung der Kühlgrenztemperatur von 30 auf 50 K
(Beispiel 3) bei gleich bleibender psychrometrischer Temperaturdifferenz auf 0,9 %. Die Dauer des Trocknungsvorgangs
wird kaum verändert.
Eine weitere Maßnahme, die Trockenrissgefährdung zu vermindern, ist der Einsatz von Magerungsmitteln. Durch Zugabe von Magerungsstoffen wird ein Anteil an inerter, nicht
toniger Masse geschaffen. Diese nimmt folglich auch kein
Anmachwasser auf und somit nicht an Schwindungsvorgängen teil. Die Masse schwindet in einem kleineren Ausmaß und
ist demzufolge einer geringeren Trockenrissanfälligkeit ausgesetzt.
Magerungsstoffe bestehen im Allgemeinen aus kantigen,
mineralischen Teilchen, die von den tonigen feinen Bestandteilen der Masse durch Wasserschichten getrennt sind. So
entsteht zwischen den kantigen Teilchen der Magerungsmittel und den sie direkt umgebenden Tonpartikeln ein
vergleichsweise großer Porenraum. Gegenüber den Tonpartikeln der Masse besteht also an den Oberflächen des
Magerungsmittels eine Randgängigkeit für das beim
Trocknungsvorgang durch die Masse hindurchwandernde
Wasser.
Die zwischen den Tonteilchen vorhandenen Kapillaren sind
sehr klein. Dort haftet das Wasser an den Teilchen, daher wird
die Strömung des Wassers durch relativ starke Widerstände
behindert. Durch den Zusatz von Magerungsstoffen entstehen größere Kapillarräume an deren Oberflächen. Für das zu
transportierende Wasser ergeben sich hier weitaus geringere
Strömungswiderstände, sodass größere Wassermengen
schneller durch die Tonmasse fließen können. Hierdurch kann
im Formling schneller ein Feuchteausgleich geschaffen werden, d. h., der für die Rissbildung verantwortliche Feuchtegradient wird vermindert.
Wenn die anfängliche Feuchteleitfähigkeit beispielsweise
durch den Einsatz geeigneter Magerungsmittel von 80 auf
Tile thickness in mm
Initial water content in kg/kg abs. dry
???
Linear drying shrinkage in %
Water content at end of shrinkage in kg/kg
Initial moisture conductivity at 25° C
in 10ˆ(–9) m2/s
Thermal conduction coefficient of dry tile
in W(mK)
Diff. resistance coefficient of the dry mass
Heat transmission coefficient in in W/(m2 K)
nitial air temperature in °C
Initial cooling limit temperature in °C
Increase of air temp. in K/h after end
of shrinkage
– or increase of air temp. in 2nd drying phase
Maximum air temperature in °C
Water content of dry additional air in kg/kg
Running time in hh : mm : ss
Momentary air temperature in °C
Surface temperature in °C
Temperature of core in °C
Cooling limit temperature in °C
20.0
1800
0.25
6.2
0.125
80
1.2
8
30
50
30
0
50
100
.0195
5:34:18
100
86.9
83.7
38.3
Time-dependent local water contents Blue: End of shrinkage Red: End of first drying phase
100
.25
H2O
kg/kg
abs.
Heat flow density in kW/m3
Evaporation rate in kg(m3 h)
Momentary water content in kg/kg abs. dry
.39
.5
< .01
°C
dry
Duration of 1st drying phase in hh : mm : ss 3:29:01
Afterwards water content in kg/kg abs. dry
.082
Duration of surface shrinkage in hh : mm : ss 2:15:43
Difference of linear shrinkage in %
1.18
Duration of core shrinkage in hh : mm : ss
2:50:47
0
0
Time in s
30
20058
Time histories of air, core- and surface temperature, drying speed and water content
Surface and core shrinkage are marked in blue
Fig. 5: Drying of a 20 mm thick tile
n the air temperature – in red
n the surface temperature – in blue
n the core temperature – in violet
Furthermore a red vertical dot-and-dash line marks the end of
the first drying phase and two blue vertical dot-and-dash lines
mark the end of shrinkage at the surface and in the core of
the green brick.
When the shrinkage is concluded at the surface, the highest
shrinkage difference between inside and outside prevails within the green brick. This is given in the table on the left of the
picture as 1.18%. After that the danger of shrinkage cracking
declines. Therefore the air temperature can be increased
already after the end of surface shrinkage. This means that
the drying time can be shortened to 4 hours 50 minutes (see
Table 1, Example 2).
Another possibility of further reducing the danger of cracking
is to raise the cooling limit temperature. As a result the moisture conduction within the clay body is improved and in this
way shrinkage differences are reduced. As can be seen in
Table 1, when raising the cooling limit temperature from 30
to 50 K (Example 3) with constant psychrometric temperature difference, the maximum shrinkage difference drops
to 0.9%. The duration of the drying process is hardly
changed.
A further measure to reduce the danger of drying cracks is the
use of opening material. Through the addition of opening
materials, a fraction of inert, non-clayey mass is created. Consequently this also does not absorb any mixing water and
therefore does not take part in shrinkage processes. The clay
body shrinks to a smaller extent and as a result is less susceptible to drying cracks.
Opening materials consist generally of angular mineral particles which are separated from the fine clayey constituents of
the mass by layers of water. Therefore a comparatively large
pore space arises between the angular particles of the opening material and the clay particles immediately surrounding
them. Therefore, compared to the clay particles of the mass,
there is a peripheral accessibility at the surfaces of the opening material for the water migrating through the mass during
the drying process.
The capillaries present between the clay particles are very
small. There the water adheres to the particles and consequently the flow of water is impeded by relatively strong
resistances. Due to the addition of opening materials, larger
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35
Tabelle 1: Möglichkeiten zur Verkürzung der Trocknungsdauer
Table 1: Possibilities fot shortening the drying time
Beispiel
Example
1
2
3
4
10-9m2/s
80
80
80
150
Anfängliche Kühlgrenztemperatur
Initial cooling limit temperature
°C
30
30
50
50
Anfängliche psychrometrische Differenz
Initial psychrometric difference
K
20
20
20
20
Temperaturanstieg nach Ende 1. Trocknungsabschnitt/Temperature increase after end of
1st drying phase
K/h
50
0
0
0
Temperaturanstieg nach Schwindungsende
Temperature increase after end of shrinkage
K/h
0
50
50
50
Gesamte Trocknungsdauer
Total duration of drying
hh:mm
05:35
04:50
04:55
04:40
Dauer 1. Trocknungsabschnitt
Duration of 1st drying phase
hh:mm
03:30
02:50
02:55
03:05
Ende Oberflächenschwindung
End of surface shrinkage
hh:mm
02:15
02:15
02:20
02:30
%
1.2
1.2
0.9
0.5
Anfängliche Feuchteleitfähigkeit
Initial moisture conductivity
Max. Schwinddifferenz
Max. shrinkage difference
150 · 10-9 m2/s erhöht werden kann, so lässt sich die maximale Schwinddifferenz bei gleich bleibenden sonstigen Bedingungen auf 0,5 % herabsetzen.
Trockenausblühungen
Neben Schwindungsrissen sind auch Trockenausblühungen
ein Problem, das bei der Trocknung auftreten kann. Verursacht werden diese durch Calciumsulfat aus dem Rohstoff.
Die Ablagerungen bilden sich während des Trocknungsvorgangs. Beim Brand findet eine Silikatisierung von Teilen des
Calciumsulfates statt, und der als Trockenausblühung bezeichnete weiße bis hellgraue Oberflächenbelag entsteht. Dieser ist
wasserunlöslich und chemisch sehr beständig, sodass er sich
mit vertretbarem Aufwand nicht mehr entfernen lässt.
Bild 6: Salzablagerungen an einer Ziegeloberfläche (das Bild
zeigt einen etwa 10 mm breiten Oberflächenausschnitt)
Fig. 6: Salt deposits on a brick surface (the picture shows an
approx. 10 mm wide section of the surface)
36
ZI 3/2004
capillary spaces occur on their surfaces. This results in considerably smaller flow resistances for the water to be transported, so that larger quantities of water can flow more quickly
through the clay body. As a result a moisture balance can be
created more quickly in the green brick, i.e. the moisture gradient responsible for crack formation is reduced.
If the initial moisture conductivity can be increased for example by the use of suitable opening materials from 80 to
150 · 10-9 m2/s, then – with other conditions remaining constant – the maximum shrinkage difference can be reduced to
0.5%.
Drying efflorescence
Apart from shrinkage cracks, drying efflorescence or scumming is also a problem which can occur during drying. This is
caused by calcium sulphate from the raw material. The
deposits are formed during the drying process. During firing a
silicatization of parts of the calcium sulphate takes place, and
the white to light grey surface coating known as drying efflorescence arises. This is insoluble in water and chemically very
resistant, so that it cannot be removed with justifiable expenditure.
Calcium sulphate dissolved in the mixing water is transported
with the water during the drying process in the direction of
the surface of the green brick. This leads to an accumulation
of salt ions close to the surface. These endeavour to balance
their concentration via the water quantity, so that a back diffusion of calcium sulphate takes place in the direction of the
interior of the green brick. During the drying period subject
to shrinkage, as long as all capillaries are filled with water, the
calcium sulphate can diffuse relatively well against the water
flow into the interior of the green brick. In general, deposits
do not yet occur on the surface during this period.
After the salient point in the Bourry diagram is reached, air
penetrates first into the thicker pores. As drying progresses,
Im Anmachwasser gelöstes Calciumsulfat wird während des
Trocknungsprozesses mit dem Wasser in Richtung Rohlingsoberfläche transportiert. Das führt zu einer Anreicherung an
Salz-Ionen nahe der Oberfläche. Diese sind bestrebt, ihre Konzentration über der Wassermenge auszugleichen, sodass eine
Rückdiffusion von Calciumsulfat in Richtung des Rohlingsinneren stattfindet. Während der Dauer der schwindungsbehafteten Trocknung, solange alle Kapillaren mit Wasser gefüllt sind,
kann das Calciumsulfat noch relativ gut gegen die Wasserströmung ins Rohlingsinnere diffundieren. In diesem Zeitraum
entstehen im Allgemeinen noch keine Ablagerungen an der
Oberfläche des Gutes.
Nach Erreichen des Knickpunktes im Bourry-Diagramm dringt
Luft zunächst in die dickeren Poren ein. Mit fortschreitender
Trocknung stehen immer weniger Wege für das Wasser zur
Verfügung, die zudem immer enger werden. Da die Trocknungsgeschwindigkeit aber konstant bleibt – solange der
erste Trocknungsabschnitt andauert –, muss die Strömungsgeschwindigkeit in den Poren ansteigen. Das erschwert die
Diffusion des Calciumsulfates, die gegen die Wasserströmung
gerichtet ist. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit zu groß
wird, dann bilden sich Salzablagerungen an den Austrittsöffnungen der verbliebenen dünnen Poren. Bild 6 zeigt solche
weißen Ablagerungen an einer Ziegeloberfläche bei starker
Vergrößerung.
Sobald das Ende des ersten Trocknungsabschnittes erreicht ist
und der Trocknungsspiegel ins Innere des Rohlings wandert,
besteht keine Gefahr der Bildung von Salzablagerungen an
der Oberfläche mehr. Das Wasser verdampft nun im Inneren.
Das bedeutet, der für die Entstehung von Trockenausblühungen gefährdete Zeitraum liegt zwischen dem Erreichen der
Grenzfeuchte und dem Beginn des zweiten Trocknungsabschnittes.
Im Allgemeinen lässt sich die Bildung von Trockenausblühungen durch den Einsatz von Bariumkarbonat vermeiden.
Aber auch durch die Trocknungsbedingungen können
Trockenausblühungen erheblich beeinflusst werden. Zu diesem Thema wird zurzeit im Institut für Ziegelforschung
Essen eine umfangreiche Forschungsarbeit durchgeführt, zu
der demnächst eine ausführlichere Veröffentlichung erscheint.
there are fewer and fewer routes available for the water and
these are also becoming increasingly narrow. However since
the drying speed remains constant – as long as the first drying phase lasts – the flow speed in the pores must increase.
This makes the diffusion of calcium sulphate more difficult,
which is directed against the water flow. If the flow speed
becomes too great, salt deposits form at the exit openings of
the remaining thin pores. Figure 6 shows such white deposits
on the surface of a brick with high magnification.
As soon as the end of the first drying phase is reached and the
drying plane migrates to the interior of the green brick, there
is no longer any danger of formation of salt deposits at the
surface. The water now evaporates at the inside.
This means that the critical period for the occurrence of drying efflorescence lies between reaching the limiting moisture
and the beginning of the second drying phase.
In general the formation of drying efflorescence can be avoided by the use of barium carbonate. But drying efflorescence
can also be influenced substantially by the drying conditions.
A comprehensive research study on this subject is being carried out at present at the Brick and Tile Research Institute in
Essen and a detailed publication will appear in due course.
Literature
See German text.
Literatur
[1] Hennicke: Zur Hubel- und Isolatorentrocknung durch elektrothermische Verfahren unter der Berücksichtigung von Rohstoffeinflüssen.
Dissertation Clausthal 1986
[2] Krischer, Kast: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik, Band 1. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
[3] Kneule: Das Trocknen. Verlag Sauerländer AG, Aarau 1975
www.
Zi-Online.info
ZI 3/2004
37

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