Заполнители из природных плотных 3 страница

ционная сила, но сила капиллярного давления

h₀ h₁ V₁ не уменьшается, так как неизменным остается

диаметр капилляра, следовательно, нарушилось

Рg₁ силовое равновесие.

Рк₂ Рк₂

III. Система при этом стремиться восстановить

d₂ d₂ < d₁ = d₀ равновесие. Высота столба жидкости может

увеличиться за счет уменьшения поперечного

сечения. Вода, растягиваясь по капилляру,

h₂ будет увлекать за собой частицы глины. И

размеры глиняного образца уменьшаются.

Рg₂

Есть и другое объяснение причин возникновения усадочных деформаций при сушке – за счет осмотических сил.

Осмос – односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Это явление можно продемонстрировать следующим образом.

1

2

1 – глинистая частица; 2 – гидратная оболочка;

3 – капилляр.

Связанная вода, образующая вокруг глиняных частиц гидрат-

ные оболочки и вода, заполняющая капилляр, содержат катио-

3 ны, являющиеся продуктами диссоциации растворимых солей. В первую очередь из глины испаряется капиллярная вода, обладающая менее прочной связью с глинистыми частицами. По мере испарения воды из капилляра в ней начинает возрастать концентрация ионов. Это нарушает равновесие сил осмотического давления в капилляре и в оболочке связанной воды. Вследствие этого, вода из оболочки начинает перемещаться в капилляр, толщина оболочки уменьшается, а вместе с этим уменьшаются ее экранирующие действие на глинистую частицу, в результате чего силы межмолекулярного притяжения возрастает и частицы глины начинают сближаться.

Количественной мерой усадочных явлений при сушке считают величину относительной усадки

,

где l₀ – первоначальная длина образца, м; l₁ – длина образца после сушки, м.

На величину относительной усадки влияет:

– запесоченность глин, которая ее снижает. Монтмориллонитовые глины имеют максимальную усадку, а каолиновые минимальную.

– режим сушки: медленный повышает, жесткий понижает.

– начальная влажность образца: чем выше влажность, тем выше усадка.

Усадочные свойства глины характеризуются коэффициентом усадки, который можно рассматривать как физическую константу

l , где

l₀ β – коэффициент усадки; l_ку, W_ку – длина и влажность

образца в момент прекращения в нем усадочных явлений.

l_ку β характеризует интенсивность усадки на 1% удаленной

a влаги.

W0

Wку

2) Влагопроводность – способность материала передавать через свою толщу влагу, вследствие возникновения разности температур между температурой поверхности материала и температурой окружающей среды.

Процесс сушки включает 3 фазы влагопроводности:

– перемещение влаги внутри материала;

– парообразование;

– перемещение водяных паров с поверхности материала в окружающую среду.

Чтобы не образовывалось трещин процесс сушки нужно вести таким образом, чтобы скорость перемещения влаги от центра к поверхности была равна скорости с поверхности. Качественной мерой, характеризующей интенсивность перемещения влаги внутри материала является коэффициент диффузии, он должен быть равен а_m = (0,66…2,14)×10⁴ м²/ч.

3) Чувствительность глин к сушке.

Это свойство характеризуется показателем чувствительности глин к сушке. Этот показатель является характеристикой обратной понятию трещиностойкости.

, где

К_ч – коэффициент чувствительности к сушке; V_д – объемная усадка; V_пор – объем пор.

Глины по коэффициенту чувствительности к сушке делятся на

– малочувствительные К_ч < 1;

– среднечувствительные К_ч от 1 до 1,5;

– высокочувствительные К_ч > 1,5.

Термические свойства глин.

Свойства, которые проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах, называются термическими. Высокие температуры – это температуры при которых из глинистой породы образуется камнеподобный черепок.

Изменения, происходящие при нагревании, рассмотрим на примере каолинита – глинообразующем минерале.

980⁰С

520⁰С 1205⁰С

920⁰С

1240⁰С

130⁰С

590⁰С

При t = 130⁰С происходит испарение из каолинита адсорбционно-связанной воды.

При t = 520…590⁰С происходит отщепление и удаление химически связанной воды. Удаление химически связанной воды сопровождается не большой усадкой материала. В результате дегидратации каолинита образуется метакаолинит, имеющий скрытокристаллическое, почти аморфное строение.

При t = 550…830⁰С метакаолинит распадается на первичные окислы с образованием γ-глинозема и кремнезема.

t = 920…980⁰С – резкий экзотермический пик. В этом интервале γ-глино-зем переходит в a-глинозем и образуется новый минерал – муллит. Содержание муллита повышается с повышением температуры. Муллит придает наиболее ценные качества обожженному керамическому материалу: прочность, термостойкость и ударную вязкость.

При t = 1205…1240⁰С кристаллизация кристаллоболита из аморфного кремнезема, оставшегося от формирования муллита. В этом интервале температур отмечается интенсивная усадка.

Превращения кремнезема

Важнейшей составляющей многих керамических масс является кристаллических кремнезем. Во многих глинах он присутствует в виде примеси – кварцевого песка, а в некоторые керамические массы его вводят в виде добавок песка, кварца и пегматита (крупнозернистая изверженная горная порода – источник полевых шпатов). При нагревании кремнезем претерпевает модификационные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями.

Известны 3 модификации и 7 форм кристаллического кремнезема.

Модификация	Форма	Плотность, г/см3
Кварц	b-кварц	2,65
a-кварц	2,52
Кристоболит	b-кристоболит	2,34
a-кристоболит	2,22
Тридимит	g-тридимит	2,31
b-тридимит	2,29
a-тридимит	2,23

В условиях промышленного обжига происходят следующие превращения:

b-кристоболит

253⁰С

17230С

расплав

a-кристоболит

14700С

a-кварц

8700С

573⁰С

b-кварц

a-тридимит

163⁰С

b-тридимит

117⁰С

g-тридимит

Наличие примесей и расплавов ускоряет модификационные превращения кремнезема и обеспечивает их большую полноту.

Процессы происходящие при обжиге глинистой породы.

При нагревании глинистой породы в пределах 120⁰С…180⁰С удаляется свободная и физически связанная вода.

При дальнейшем нагревании в интервале 180…950⁰С удаляется химическая связанная вода из различных водных минералов (оксид железа, гипс, монтмориллонит, гидрослюда). В этих же пределах температур с выделением CO₂ разлагаются карбонаты: 300…400⁰C – FeCO₃; 600…700⁰C – MgCO₃; 800…900⁰C – CaCO₃.

В интервале 200…450⁰C выделяется летучая часть органических примесей газа.

При 950…1050⁰C – образование муллита и появление стеклофазы и порообразование.

При 900…1000⁰C растет пористость материала.

При 1050…1200⁰C почти все керамзитовое сырье размягчается за счет образования легкоплавких эвтектик.

Все эти процессы взаимосвязаны и накладываются друг на друга.

Спекание глин, технологическое значение интервала спекания.

Методы его регулирования. Огнеупорность и огневая усадка.

Спекаемостью глин называют их способность при обжиге уплотнятся с образованием твердого камнеподобного черепка.

Спекание глин может происходить вследствие стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой – силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины. Спекаемость определяет пригодность глин для производства керамических изделий, а так же косвенно влияет на вспучиваемость при обжиге. Количественно степень спекаемости характеризуется температурным интервалом спекания.

Результатом процесса спекания является уплотнение обжигаемого материала. Поэтому степень спекания контролируется водопоглощением. Спекшимся считается черепок с водопоглощением не более 5%. Интервалы спекания и спекшегося состояния устанавливаются возможностью обжига в печах, имеющие определенный перепад температур между низом и верхом печи.

Огнеупорность – способность керамических материалов противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь.

Показателем огнеупорности является температура, при которой образец-пирос-коп (трехгранная усеченная призма) деформируется под влиянием собственной тяжести, касаясь при этом своей вершиной керамической подставки. Эту температуру называют условной температурой плавления. Огнеупорность глин зависит от химического состава и наличия примесей. Глинозем обладает повышенной огнеупорностью. Тонкодисперсный кремнезем понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность глин. Примеси снижают огнеупорность. Кроме этого, огнеупорность зависит и от характера газовой среды при обжиге. Восстановительная среда снижает огнеупорность.

Огневая усадка – сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге.

Р_к

1 2

1 – твердая частица;

2 – капля жидкого расплава.

1

Р_к

Сближение глиняных частиц происходит под действием сил поверхностного натяжения, носителем которого является жидкая среда, возникающая в материале в виде силикатных расплавов.

Механизм стягивающего действия состоит в следующем:

Как только между двумя твердыми частицами окажется капля жидкого расплава с вогнутыми менисками, она под влиянием вил поверхностного натяжения будет растекаться по поверхности твердой частицы. Равнодействующая этих сил образует силу капиллярного давления Р_к, которая будет сближать тем самым твердые частицы.

Усадочная явления характеризуются количественно величиной огневой усадки γ_о.г. в процентах:

= 2…8%.

Повышенную огневую усадку имеют монтмориллонитовые глины, увеличивают ее щелочные окислы, железистые окислы, повышение температуры. А снижают огневую усадку запесоченность глин.

«ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА»

Определение и основные требования, предъявляемые к керамзиту

Керамзит – искусственный пористый заполнитель гравиеподобной формы, ячеистой структуры с преобладанием замкнутых пор и оплавленной поверхностью, получаемый вспучиванием легкоплавких глин.

Впервые керамзит был запатентован в 1918 г. в Америке и назывался «Хайдит», т.к. изготовлен был Стефаном Хайдом. В нашей стране этим вопросом стали заниматься в 1920 г. Костырько и Пшеницин.

Данный заполнитель выгодно отличается от других заполнителей:

– он не содержит вредных примесей для цементного камня;

– огнеустойчив;

– атмосферостоек;

– малая поверхностная пористость;

– высокая морозостойкость;

– низкое водопоглощение по массе;

– более однороден (определяется по насыпной плотности).

Основные критерии пригодности глинистого сырья

1. Способность глин вспучиваться в интервале температур 1050…1250⁰С и образовывать ячеистую структуру.

Определяется коэффициентом вспучивания, который характеризуется отношением объема материала после обжига к объему материала до вспучивания

, где

ρ_нас^сух – плотность абсолютно сухого сырьца, кг/м³; ρ_нас^всп – плотность керамзита в куске, кг/м³.

Для производства керамзита используется глины с К_ВСП до 5.

По вспучиваемости и плотности зерен керамзита сырье подразделяется на 4 группы:

	Группа	КВСП	ρнас , кг/м3
	Хорошовспучивающиеся	> 4,5	< 400
	Средневспучивающиеся	2,5…4,5	400…700
	Слабовспучивающиеся	2…2,5	700…1500
	Невспучивающиеся	< 2	>1500

В промышленности вспучиваемость оценивается коэффициентом выхода керамзита, который определяется отношением насыпной плотности полуфабриката к насыпной плотности керамзита с учетом п.п.п. и влажности

К_ВЫХ < К_ВСП.

По К_ВЫХ оценивается объемная масса керамзита при обжиге гранул в производственных условиях.

2. Температурный интервал вспучивания – это разность между температурой начала оплавления поверхности гранулы t^/_ОПЛ и температурой начала вспучивания глины t^/_ВСП

Δt_ВСП = t^/_ОПЛ – t^/_ВСП.

Температура вспучивания характеризуется:

– плотностью зерна керамзита, она должна быть <950 кг/м³;

– вязкостью – 10⁷ Па·с.

Изменение состояния глин характеризуется от хрупкого до жидкотекучего. За оптимальный интервал принимают интервал 10⁵…10⁷ Па·с.

η, Па·с

Хрупкое состояние характеризуется

величиной вязкости η=10¹² Па·с.

10⁷ Вязко-пластичное – η=10²…10¹² Па·с.

Жидко-текучее – η=10² Па·с.

10⁵

t, ⁰С

Δt_ВСП

Хруп Вязко-пластич Жидко-тек.

По температурному интервалу глины подразделяют на

η – длинные η – короткие

t/2

t/1

t2

t1

t t

(t₁ - t₂) > (t^/₁- t^/₂)

Чем больше температурный интервал вспучивания, тем полнее протекают физико-химические процессы при формировании зерна керамзита. По ГОСТ температурный интервал вспучивания должен быть больше или равен 30⁰С.

Влияние химико-минералогического, гранулометрического составов

на вспучиваемость глин.

Глины монтмориллонитового, слюдистого состава вспучиваются интенсивнее при более низких температурах. Этому способствует возможность замещения одних ионов другими в кристаллической решетке и получение легкоплавких эвтектик.

На вспучиваемость глин различные оксиды и примеси влияют следующим образом:

1. Свободный SiO₂­. Он содержится в виде кварцевого песка, тонких пылевидных частиц, реже в виде кремния. По его содержанию дается характеристика сырья и делается вывод о необходимости введения добавок. Если SiO₂ < 20%, то глина хорошо вспучивается и добавок не рекомендуется. Если SiO₂ – 20…30% – сырье вспучивается, но рекомендуется ввести добавки, а если SiO₂ более 30%, то сырье относится к невспучиваемому, и необходимо введение большого числа разнообразных добавок.

Повышение содержания SiO₂ повышается вязкость расплава и увеличивается интервал вспучивания. Кроме этого, с увеличением количества песка уменьшается усадка и прочность изделия. Тонкодисперсные фракции повышают чувствительность глин к сушке.