Керамические строительные материалы

Включения пирита и гипса являются причиной появления на поверхности готовых изделий зеленоватых выцветов и выплавов.

Наличие сульфатов вызывает после обжига появление на поверхности изделий высолов.

Карбонатные примеси (кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания, повышают пористость и понижают прочность готовых изделий. Тонкодисперсные примеси карбонатных пород практически не оказывает влияние на качество стеновой керамики, но очень вредны для производства изделий с плотным черепком - напольных плиток, канализационных труб, дорожного кирпича. Крупные же включения (более 1 мм) переходят при обжиге сырца в известь, которая гидратируется, поглощая водяные пары из воздуха или при увлажнении изделий в службе, резким увеличением объема, приводящим к появлению локальных вздутий («дутиков») либо полному разрушению изделий.

Оксид кальция в виде СаС03 также понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, повышает пористость, снижает прочность и морозостойкость изделий.

Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями. Они понижают температуру обжига, повышают плотность и пористость изделий, ослабляют красящие свойства оксида железа.

Органические примеси (п. п. п. ) в виде остатков растений и гумусовых кислот окрашивают изделия в темные тона, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно воздушную осадку. С увеличением их содержания возрастает пористость, тем самым снижая механическую прочность изделий. Они полезны при получении стеновой керамики, но нежелательны в производстве напольных плиток, особенно беложгущихся.

13. Водные свойства глин

При свободном взаимодействии глинистого сырья с водой проявляются его водные свойства. Глина в смеси с водой и добавками образовывает различные по физическому состоянию массы - от твердого тела до текучей жидкости

В зависимости от содержания воды могут быть:

- жесткие (сухие или полусухие), с содержанием воды затворения в количестве 4-12 % по массе;

- пластичные - 18-28 % по массе;

- литьевые (шликеры) - 30 % и более.

Водозатворяемость (вода затворения) показывает какое количество воды необходимо добавить к абсолютно сухой глине (в % по массе) для получения пасты нормальной рабочей консистенции

Водозатворяемость Вз связана с молекулярной влагоемкостью Вм следующим соотношением: Вз = 1,7. Вм

Чаще глины в смеси с водой образуют вязкое пластичное тесто, способное принимать любую форму в сыром виде и сохранять ее после сушки и обжига.

С уменьшением размеров глинистых частиц возрастает количество связанной воды в глинах, а также влияние адсорбционных процессов на свойства глинистых пород

Взаимодействие между глинистыми частицами и растворами может протекать на физической, химической и физико-механической основе

Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом состоянии, всегда имеют связанную с поверхностью воду (гигроскопическая влага)

Пленка воды имеет неодинаковую толщину в пределах поверхности частицы

Количество воды, связываемой с поверхностью частиц, зависит от величины, минералогического состава и обменных катионов

Чаще глины в смеси с водой образуют вязкое пластичное тесто, способное принимать любую форму в сыром виде и сохранять ее после сушки и обжига

С уменьшением размеров глинистых частиц возрастает количество связанной воды в глинах, а также влияние адсорбционных процессов на свойства глинистых пород

Взаимодействие между глинистыми частицами и растворами может протекать на физической, химической и физико-механической основе

Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом состоянии, всегда имеют связанную с поверхностью воду (гигроскопическая влага)

Пленка воды имеет неодинаковую толщину в пределах поверхности частицы

Количество воды, связываемой с поверхностью частиц, зависит от величины, минералогического состава и обменных катионов

Набухание - способность глины увеличивать свой объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном контакте с водой, зависит от природы тонкодисперсной части глин

Различают два взаимосвязанных процесса, сопутствующих процессу набухания: капиллярное всасывание и собственно само набухание

Капиллярное всасывание - способность глинистых пород к впитыванию воды и размоканию

Процесс набухания во времени затухает

Рыхлые породы набухают быстрее, чем плотные

Запесоченность глин понижает степень их набухания

Монтмориллонитовые глины сильнее набухают (18-25%), чем каолинитовые (3-10%). Гидрослюдисто- монтмориллонитовые - 16-18%, лессовидные глины и суглинки, содержащие монтмориллонит - 9-24%

Количественно степень набухания измеряется относительным увеличением первоначального объема, выраженным в % или набухаемостью - приростом объема поглощенной воды по отношению к первоначальной массе глины

Поскольку частица глинистого вещества представляет собой агрегат из слипшихся первичных зерен глинообразующих минералов, поляризованные молекулы воды вклеиваются между ними, и адсорбируясь на их поверхности раздвигают зерна, создавая вокруг них водную оболочку вследствие чего глина набухает

Размокание - распад в воде крупных глинистых агрегатов на более мелкие и элементарные частицы

Первая стадия распада глинистого агрегата происходит при его набухании, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами глины, расклинивают их

По мере увеличения толщины водной оболочки ослабляется связь между отдельными зернами глины, и они начинают свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии, - происходит полное размокание глины.

Плотные глины размокают очень трудно

Для ускорения процесса размокания глины перемешивают, механически разрушая ее куски или подогревают воду

Самопроизвольное обратимое упрочнение нарушенной структуры глинистых масс разной степени влажности, происходит под воздействием тиксотропии

Тиксотропное упрочнение - свойство влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и прочность при постоянной влажности

Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации частиц глины и молекул воды, что увеличивает силу их сцепления. При этом происходит процесс перехода части свободной воды в связанную

Причина тиксотропного упрочнения связана с развитием сольватных оболочек на глинистых частицах. Через сутки, двое тиксотропное упрочнение достигает предела

Если глинистую массу пробить или промять, ее прочность вернется к прежнему уровню, но затем снова начнет нарастать. Процесс этот повторим многократно

Тиксотропия глин важна для приготовления шликеров, пластичного теста и формовании изделий

При выдерживании или вылеживании глинистой массы разной степени влажности, но без потери ею влаги происходит нарастание механической прочности под влиянием тиксотропии

С механической стороны, тиксотропия проявляется также в увеличении упругой деформации глины

14. Влияние увлажнения глины на ее свойства. Строение системы «глина-вода»

Вода обычно представляется нам вполне однородной средой, а молекулы воды - электрически нейтральной. Однако по современным представлениям отдельные слои водной оболочки, окружающей глинистый минерал, физически неоднородны, а молекулы воды имеют дипольное строение и, следовательно, концы молекулы электрически заряжены.

Строение системы «глина-вода» для элементарного глинистого сырья можно представить следующим образом:

Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом состоянии, всегда имеют связанную с их поверхностью воду (гигроскопическая влага).

В глинах различают три вида воды: химически связанную и два вида физически связанной - прочно связанную и механически примешанную (рыхло связанную). Первая образует мономинеральную пленку. Этот процесс экзотермический. Химически связанная вода исключительно прочно связана с материалом и может быть удалена только при химическом взаимодействии или при особо интенсивной тепловой обработке (прокаливании). Слой такой воды мономолекулярен и этот процесс экзотермический.

Мономолекулярный слой воды - слой воды толщиной в 1 молекулу. Диаметр молекул - 3-10-5 см, является адсорбционно связанной.

Прочно связанная вода естественно переходит в рыхло-связанную, которая размещается между частицами глины более свободно, подвижно и выдавливается из глины при компрессии.

Рыхлосвязанной воды становится тем больше, чем ближе подходит состояние глины к «рабочему водосодержанию».

Рабочее водосодержащие - такое состояние глины и воды, когда глиняная масса становится пластичной и приобретает способность формоваться, при этом глиняная масса не липнет к тыльной стороне руки.

Физико-химическая связь. Этой форме соответствуют различные связи влаги: а) адсорбционно-связанная вода (поглощенная); б) осмотически-удержанная вода (влага набухания); в) структурная влага.

К осмотически удержанной влаге и структурной влаге относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощающая осмотически сложно построенной мицеллой, так и иммобилизованная структурная влага, захваченная при формировании геля. Эта влага является свободной.

При формировании геля образуется скелет из замкнутых клеток, стенки которой состоят из нерастворимых фракции.

Поверхность зерна глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды, которые создают вокруг него силовое поле. Под их воздействием дипольные молекулы воды своими положительными концами (Н+) ориентируются по направлению к отрицательному заряду зерна и плотно окружают его поверхность, создавая мономинеральный, а далее полиминеральный слои адсорбированной воды. Эти слои будучи сильно сжаты под действием силового поля образуют прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами.

По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля, а следовательно, и интенсивность притяжения молекул убывает.

Молекулы воды, относительно отдаленные от поверхности зерна, но все же находящиеся под воздействием силового, хотя и отрицательно слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой, в котором вода является рыхло-связанной.

Таким образом, зерно глинистого минерала окружено концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается глинистой частицей с различной силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Таким строением водной оболочки объясняются водные свойства глин - влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропное упрочнение.

Количеством выделяемого тепла, называемого теплотой смачивания, возможно определить количество прочно связанной воды. Количество прочно связанной воды можно определить по максимальной гигроскопической влажности образца. Количество рыхло связанной воды вычисляют как разность между всей связанной водой и прочно связанной. Количество всей связанной воды принимается равным максимальной молекулярной влагоемкости.

Вода в глине удерживается не только силами молекулярного притяжения. В диффузный слой часть воды проникает путем осмотического всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться еще и капиллярными силами. При этом осмотические и капиллярные силы относительно невелики по сравнению с силами молекулярного притяжения. Поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группу свободной воды.

Осмос (толчок, давление) - проникновение, просачивание растворителя сквозь тонкую перегородку, непроницаемую для растворенных веществ. Осмос - одностороння диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя.

С увеличением дисперсности, а следовательно, и удельной поверхности глины, ее влагоемкость возрастает.

Под капиллярной влагоемкостью понимают относительное равновесное количество воды, поглощенное глиной при ее непосредственном контакте с водой.

Абсорбционно связанная вода - жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности мицелл коллоидного тела.

Мицелла - коллоидная частица с сольватным слоем.

Сольват - взаимодействие молекул растворителя с молекулами растворенного тела, а иногда и со вторым слоем ионов, строение которых определяет заряд мицеллы.

Коллоидные материалы характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1-0,001 мк.

Чем тоньше частицы, тем больше удельная поверхность и тем они активнее.

15. Классификация форм влаги в глиняных массах и их свойства

Вода обычно представляется нам вполне однородной средой, а молекулы воды - электрически нейтральной. Однако по современным представлениям отдельные слои водной оболочки, окружающей глинистый минерал, физически неоднородны, а молекулы воды имеют дипольное строение и, следовательно, концы молекулы электрически заряжены

Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом состоянии, всегда имеют связанную с их поверхностью воду (гигроскопическая влага).

В глинах различают три вида воды: химически связанную и два вида физически связанной - прочно связанную и механически примешанную (рыхло связанную). Первая образует мономинеральную пленку. Этот процесс экзотермический. Химически связанная вода исключительно прочно связана с материалом и может быть удалена только при химическом взаимодействии или при особо интенсивной тепловой обработке (прокаливании). Слой такой воды мономолекулярен и этот процесс экзотермический.

Мономолекулярный слой воды - слой воды толщиной в 1 молекулу. Диаметр молекул - 3-10-5 см, является адсорбционно связанной.

Прочно связанная вода естественно переходит в рыхло-связанную, которая размещается между частицами глины более свободно, подвижно и выдавливается из глины при компрессии.

Рыхлосвязанной воды становится тем больше, чем ближе подходит состояние глины к «рабочему водосодержанию».

Рабочее водосодержание - такое состояние глины и воды, когда глинянная масса становится пластичной и приобретает способность формоваться, при этом глинянная масса не липнет к тыльной стороне руки.

Физико-химическая связь. Этой форме соответствуют различные связи влаги: а) адсорбционно-связанная вода (поглощенная); б) осмотически-удержанная вода (влага набухания); в) структурная влага.

К осмотически удержанной влаге и структурной влаге относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощающая осмотически сложно построенной мицеллой, так и иммобилизованная структурная влага, захваченная при формировании геля. Эта влага является свободной.

При формировании геля образуется скелет из замкнутых клеток, стенки которой состоят из нерастворимых фракции.

Поверхность зерна глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды, которые создают вокруг него силовое поле. Под их воздействием дипольные молекулы воды своими положительными концами (Н+) ориентируются по направлению к отрицательному заряду зерна и плотно окружают его поверхность, создавая мономинеральный, а далее полиминеральный слои адсорбированной воды. Эти слои будучи сильно сжаты под действием силового поля образуют прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами.

По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля, а следовательно, и интенсивность притяжения молекул убывает.

Молекулы воды, относительно отдаленные от поверхности зерна, но все же находящиеся под воздействием силового, хотя и отрицательно слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой, в котором вода является рыхло-связанной.

Таким образом, зерно глинистого минерала окружено концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается глинистой частицей с различной силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Таким строением водной оболочки объясняются водные свойства глин - влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропное упрочнение.

Количеством выделяемого тепла, называемого теплотой смачивания, возможно определить количество прочно связанной воды. Количество прочно связанной воды можно определить по максимальной гигроскопической влажности образца. Количество рыхло связанной воды вычисляют как разность между всей связанной водой и прочно связанной. Количество всей связанной воды принимается равным максимальной молекулярной влагоемкости.

Вода в глине удерживается не только силами молекулярного притяжения. В диффузный слой часть воды проникает путем осмотического всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться еще и капиллярными силами. При этом осмотические и капиллярные силы относительно невелики по сравнению с силами молекулярного притяжения. Поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группу свободной воды.

Осмос (толчок, давление) - проникновение, просачивание растворителя сквозь тонкую перегородку, непроницаемую для растворенных веществ. Осмос - одностороння диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя.

С увеличением дисперсности, а следовательно, и удельной поверхности глины, ее влагоемкость возрастает.

Под капиллярной влагоемкостью понимают относительное равновесное количество воды, поглощенное глиной при ее непосредственном контакте с водой.

Абсорбционно связанная вода - жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности мицелл коллоидного тела.

Мицелла - коллоидная частица с сольватным слоем.

Сольват - взаимодействие молекул растворителя с молекулами растворенного тела, а иногда и со вторым слоем ионов, строение которых определяет заряд мицеллы.

Коллоидные материалы характеризуются весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,1-0,001 мк.

Чем тоньше частицы, тем больше удельная поверхность и тем они активнее.

16. Понятие «рабочего водосодержания» и «теплоты смачивания»

Теперь нужно немного подробнее поговорить о взаимоотношениях глины с водой. Несмотря на то, что характеры их схожи, поссорить их очень просто, и тогда хорошего не жди. Если, затворяя глину, вы переусердствовали и налили слишком много воды, ее будет сложно удалить. Глиняное тесто будет неоднородным, с комками. Глина, будучи гигроскопическим веществом, адсорбирует влагу из воздуха, смачивается водой и способна набухать в состоянии сильного обводнения. Влагу, адсорбируемую глиной, называют прочносвязанной водой в отличие от рыхлосвязанной воды, размещающейся между частичками глины более свободно, подвижно и выдавливаемой из глины при компрессии. Прочносвязанная вода составляет 0,8--1,0 процент влажности каолина, замерзает при температуре значительно ниже нуля, почти не проводит электрический ток. Прочносвязанная вода естественно переходит в рыхлосвязанную, которой становится тем больше, чем ближе подходит состояние глины к рабочему водосодержанию, то есть к такому состоянию глины и воды, когда глинистая масса проявляет оптимум своей пластичности и своей способности формоваться. При правильно подобранном влагосодержании глиняная масса не липнет к тыльной стороне руки. Это рабочее водосодержание различно для разных глин; например, у лёсса оно составляет 18--20 процентов, у каолинов -- 28--31 процент, у спондиловой глины -- 31--33 процента, у часов-ярской -- 30-32 процента, у трошковс-кой -- 30--36 процентов. При дальнейшем увеличении содержания воды глина теряет способность сохранять приданную ей форму и начинает течь подобно вязкой жидкости.

При увлажнении абсолютно сухой глины происходят следующие физико-химические процессы: 1) выделяется тепло (теплота смачивания); 2) происходит набухание, т. е. увеличение глины в объеме; 3) в зависимости от количества добавленной воды глина образует полусухую, в той или иной мере связанную массу, пластичное тесто или текучую суспензию (шликер) с различной склонностью к коагуляции.

Теплота смачивания глин составляет от 2 до 20 кДж/кг. Набухание глин имеет технологическое значение, особенно когда глина не увлажняется до образования пластичного теста. Коагуляция также влияет на технологический процесс, так как вследствие уменьшения при этом общей поверхности частиц глины снижается их связующая способность, и такой шликер трудно перекачивать. К коагулирующим глиняным суспензиям для повышения их устойчивости добавляют электролиты.

В глинах различают равновесную, или гигроскопическую, воду, воду затворения и химически связанную.

Равновесной называют воду, которую глины поглощают из окружающей среды вследствие своей гигроскопической способности. Ее количество всегда значительно ниже содержания воды в глинах при состоянии наибольшей пластичности последних. Глины с оптимальным количеством воды образуют тесто нормальной густоты; в этом состоянии глина пластична, но не клейка. Она только слегка, подобно мелу, пачкает руки. По этому простому признаку удобно контролировать количество добавляемой воды, необходимой для получения глиняной массы, в состоянии наибольшей пластичности.

При определении величины водозатворения пользуются двумя выражениями: абсолютным водозатворени-ем, когда количество необходимой для этого воды выражено в процентах по отношению к массе абсолютно сухой глины, и относительным водозатворением, когда берут отношение количества воды к массе увлажненной глины. Ниже дано водозатворение тонкодисперсных глин, %:

Высокопластичные. . . 35--40 25--30 Среднепластичные. . . 25--30 20--25 Малопластнчные. . . 20--25 15--20

Предпочтительнее пользоваться абсолютным водозатворением. Абсолютное водозатворение и относительное Wo вычисляют по формулам:

Wa=[(b -- a)/a] 100%; (VI. 1)

Wo = l(b -- a)/b]lQ0%, (VI. 2)

где а-- масса абсолютно сухой глины; b -- масса увлажненной глины.

17. Понятие формовочной влажности (водозатворяемости) глин

Формуемостью керамической массы называют ее способность деформироваться без нарушения структуры. Для хорошо формующихся глинистых масс характерны следующие показатели:1. эластичность л = 0,6…0,65; 2. пластичность ц= (2…2,5)10-6 с-1; 3. период истинной релаксации и = 1200…1400 с.

Формовочная влажность является также важным показателем механических свойств глины. Ее иногда именуют влажностью воды затворения и влажностью рабочего теста. Формовочной влажностью называется та максимальная влажность, при которой глина способна формоваться под воздействием руки человека и в то же время не прилипать к рукам и к металлу. Среднее усилие нажатия человеческой руки соответствует примерно 2 кГ/см2, а предельное напряжение сдвига составляет при формовочной влажности, по данным Е. И. Заварзиной, около 0,6 кГ/см2.

Формовочная влажность зависит от состава глины: запесоченность глины понижает ее, с повышением дисперсности она возрастает, у монтмориллонитовых глин она выше, чем у каолинитовых.

18. Связность и связующая способность глин

Связность -- усилие, необходимое для разъединения частиц глин. Связность глин обусловлена малой величиной и пластинчатой формой частиц глинистого вещества.

Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др. ) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие -- сырец.

Глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций, обладают более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых частиц имеют малую связность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных фракций понижается связующая способность глины. Это свойство глины имеет большое значение при формовании изделий.

Характеристикой связующей способности глины служат:

1) способность ее формоваться при добавлении различных количеств инертного вещества (отощителей);

2) изменение механической прочности высушенного образца в зависимости от степени отощения. Если при аналогичном испытании используется глина без добавок, то его результаты характеризуют связность глины.

Связующая способность глины выражается в том, что она может связывать частицы непластичных материалов (песка, слюды, шамота и т. д. ) и образовывать при высыханиими спекания образца являются образование на его поверхности плотной корки, появление незначительного блеска и резкое изменение цвета.

Определение указанных показателей ведется на образцах, обожженных при различных температурах.

Связность глины и каолина, характеризующая прочность сырца после сушки, определяется величиной усилия, которое необходимо приложить для разъединения частиц глинистого материала. Обычно сравнительную оценку связности производят по пределу прочности при изгибе сформованных из глины образцов, имеющих форму балочек и находящихся в воздушносухом состоянии. Обычно высокопластичные глины имеют предел прочности на излом более 25 кГ/см2, тощие глины -- ниже 15 кГ/см2.

Связующая способность глин, т. е. их способность связывать добавки отощителя без значительной потери прочности сырца и образовывать хорошо формующуюся массу, обычно определяется по пределу прочности при изгибе балочек, которые сформованы из глинистой массы с различным, постепенно возрастающим содержанием отощающего материала.

Связующая способность глины характеризуется предельным количеством чистого кварцевого песка, при добавке которого в глину получается тесто с хорошими формовочными свойствами. Связность и связующая способность глин возрастает с увеличением содержания в них глинистых минералов.

19. Реологические свойства глиняных масс: пластическая прочность, деформация и модуль упругости

Реология - наука о деформациях и текучести вещества, исследующая различные деформации материалов в зависимости от напряжении.

Реологические свойства глиняных масс: пластическая прочность, деформация, модуль упругости.

В основе количественной оценки структурно-механических (реологических) свойств формовочных масс лежат теоретические основы самостоятельного раздела коллоидной химии, называемого физико-химической механикой, основные положения которого разработаны академиком П. А. Ребиндером.

Приготовленная масса обладает определенными качественными характеристиками, оцениваемыми по показателям свойств. Свойства выражают способность вещества реагировать на внешние и внутренние факторы (механические, тепловые, гравитационные и др. ).

Главным свойством приготовленной смеси (массы) является ее способность к технологической обработке - распределению слоя заданной толщины, уплотнению, формованию с уплотнением. Такую способность смеси называют удобоформуемостью, подвижностью и относят к группе структурно-механических или реологических свойств.

В дисперсных пластичных массах, в том числе и глинистых, под действием сдвиговых напряжений могут возникнуть три типа деформации: быстрая эластическая еб, медленная эластическая ем, пластическая деформации епл.

Разрывы первичных контактов различных типов и образование новых, вторичных, происходящие при нагружениях системы выше условного статического предела текучести, составляют пластическую деформацию.

Суммарная деформация, возникающая при нагружениях дисперсий глинистых минералов, глин и керамических масс, состоит из трех видов деформации: двух обратимых, протекающих с различными скоростями и исчезающих после снятия нагрузки (быстрой и медленной эластических), и одной необратимой (пластической). Эти деформации развиваются одновременно, но по величине различно сочетаются между собой в деформационном процессе.

Быстрая эластическая деформация еб происходит в первое мгновение после приложения внешнего усилия; она связана с шарнирным поворотом и упругой деформацией частиц дисперсной фазы. При снятии нагрузки быстрая эластическая деформация полностью и также мгновенно исчезает (равновесное состояние достигается со скоростью, близкой к скорости звука в данном теле).

Медленная эластическая деформация ем развивается с момента приложения внешней нагрузки в течение нескольких, обычно 3-10 мин, с постепенно уменьшающейся скоростью; она связана с нескольким смещением (скольжением) частиц относительно друг друга без разрыва межмолекулярных связей и разрушения структуры. При снятии нагрузки медленная эластическая деформация полностью обратима, причем восстановление системы происходит также с постепенным замедлением.

Пластическая деформация епл возникает только тогда, когда напряжение сдвига достигнет определенной величины, называемой предельным напряжением сдвига или пределом текучести (верхний предел влажности, при котором глина сохраняет пластические свойства).

Пластическая прочность или механическая прочность структуры представляет собой предельное напряжение сдвига, которое может выдержать пластичная масса при статическом нагружении. При пластической деформации происходит частичное разрушение структуры, которая самопроизвольно восстанавливается со временем (явление тиксотропии). Поскольку при данном напряжении в системе устанавливается равновесие процессов разрушения и тиксотропного восстановления, общее разрушение структуры не нарастает во времени. Деформация этого вида происходит с постоянной скоростью и после снятия напряжения не исчезает, т. е. является необратимой.

Если приложенная внешняя нагрузка вызывает напряжения, лежащие ниже предела текучести Рт, то в системе возникают только первые два вида деформации еб и ем.

Если напряжения превышают Рт, то имеют место деформации всех видов, причем в при течении дисперсных систем в области неразрушенных структур отдельные деформации складываются друг с другом, т. е. общая деформация

е=еб+ем+епл или е'=е'б+е'м+е'пл ,

где е` (с соответствующими индексами) - относительная деформация, равная по отношению абсолютной деформации е` к толщине деформируемого слоя а. Модуль быстрой эластической деформации

Еуп=Р/е'б=Ра/еб

Модуль медленной эластической деформации (модуль эластичности)

Еэл=Р/е`м=Ра/ем=Ра/(еэл-еб)

Наибольшая пластическая (шведовская) вязкость

зпл=(Р-Рт)/dе`пл/dф=(Р-Рт)а/dепл/dф

зуп=Р/(dе`б/dф - dе`пл/dф )= Ра/(dеб/dф -dепл/dф)

20. Развитие видов деформации в глиняных массах: быстрой эластической, медленной эластической, пластической

Быстрая эластическая деформация еб происходит в первое мгновение после приложения внешнего усилия; она связана с шарнирным поворотом и упругой деформацией частиц дисперсной фазы. При снятии нагрузки быстрая эластическая деформация полностью и также мгновенно исчезает (равновесное состояние достигается со скоростью, близкой к скорости звука в данном теле).

Медленная эластическая деформация ем развивается с момента приложения внешней нагрузки в течение нескольких, обычно 3-10 мин, с постепенно уменьшающейся скоростью; она связана с нескольким смещением (скольжением) частиц относительно друг друга без разрыва межмолекулярных связей и разрушения структуры. При снятии нагрузки медленная эластическая деформация полностью обратима, причем восстановление системы происходит также с постепенным замедлением.

Пластическая деформация епл возникает только тогда, когда напряжение сдвига достигнет определенной величины, называемой предельным напряжением сдвига или пределом текучести (верхний предел влажности, при котором глина сохраняет пластические свойства).

21. Оценка качества керамических масс по видам деформации. Структурно-механические характеристики глин

На развитие деформационных процессов в глинистых системах существенно влияют типы и количество глинистых минералов, наличие примесей и их природа, концентрация твердой фазы и её дисперсность, количество и вид поверхностно-активных добавок.

Относительные деформации - быстрая эластическая, медленная эластическая и пластическая определяют в зависимости от их соотношения структурно-механический тип дисперсий.

Экспериментальными исследованиями С. П. Ничипоренко и др. выделены шесть структурно-механических типов структур глин в зависимости от соотношения величин относительных деформации - быстрой, медленной эластической и пластической, определяемых в сопоставимых условиях (обычно Р=0,2 МПа, ф=1000 с)

Различные типы структур представляют в виде гистограмм - прямоугольников с одинаковым основанием, высота которых соответствует доле, вносимой той или иной составляющей в общую деформацию, или тройной диаграммой.

Глины различных типов ведут себя по-разному в процессах формования:

глины 1 и 2 структурно-механического типа с преобладающим развитием быстрых эластических деформации, что указывает на плохую формуемость керамических масс. Таким массам свойственно хрупкое разрушение структуры;

в керамических массах 5 и 6 типов - значительное развитие пластических деформации. Массы легко деформируются, что увеличивает свилеобразование при пластическом формовании изделий, т. е. проявляют склонность к пластическому разрушению (к трещинообразованию);

наиболее благоприятны для формования 3-го и особенно 4-го типов. Они хорошо формуются и образуют в керамические , фарфоровые, фаянсовые и другие изделия без дефектов. Масса проходит формующую часть пресса за 5-7 сек. В течение этого времени преобладающее развитие медленных эластических деформации способно полностью компенсировать возникающее во время формования кратковременные напряжения без нарушений сплошности выдавливаемой массы.

22. Коагуляционные структуры керамических масс и физико-механические основы их образования

Технологический процесс производства керамических изделий является процессом создания и непрерывных изменений структуры керамической массы: измельчение, смешивание, переминание при обработке массы, образование коагуляционной структуры и деформирование при формовании, потери влаги и уменьшение размеров после сушки, образование кристаллизационной структуры и усадка в результате обжига.

Основными факторами, определяющими характер образования коагуляционных структур глинистых минералов являются их кристаллическая структура, форма частиц, дисперсность, число и характер нарушений решетки кристаллов.

Коагуляционные структуры керамических масс возникают под действием молекулярных сил сцепления коллоидных крупных частиц, взвешенных в жидкой среде суспензии или коллоидного раствора.

Они отличаются от кристаллических структур способностью к тиксотропному упрочнению, ярко выраженными пластично-вязкими свойствами и сравнительно малой прочностью, что обуславливается наличием тонких прослоек дисперсной среды в местах контакта соединения между собой системы.

Эти дисперсные системы в зависимости от степени развития структуры и ее упрочнения занимают промежуточное место между жесткими и твердыми телами, отличаясь такими механическими свойствами как вязкость, прочность, упругость, пластичность, т. е. способность к остаточным деформациям (без потери формы).

По Ребиндеру эти структуры независимо от природы составляющих их твердых частиц проявляют способность к резко выраженному упругому последействию, свойственному каучукам и их растворам.

Образование коагуляционных структур возникает в результате сцепления частиц дисперсной фазы Вандер Ваальсовыми силами (силами межмолекулярного взаимодействия, имеющих электр-ю природу) в цепочке и неупорядоченной межпространственной сетки.

Развитию коагуляционной структуры во всем объеме способствует высокая дисперсность частиц, их мозаичность поверхности, а для глинистых минералов наличие участков с наименьшими развитием гидратных оболочек. Сцепление частиц следовательно за счет Броуновских соударении.

При этом между контактирующими частицами остается весьма тонкая равновесная прослойка жидкой дисперсионной среды, которая не препятствует силам сцепления между частицами, вместе с тем абсорбционно прочно связана с поверхностью частиц, что не выдавливается даже силами сцепления между ними.

23. Сушильные свойства керамических изделий

К сушильным свойствам глин относят; воздушную усадку, чувствительность глин к сушке, влагопроводность

Воздушной усадкой называют уменьшение линейных размеров и объема глиняного образца при его сушке. Воздушную усадку подразделяют на два вида: линейную и объемную.

Для глин средней пластичности значение воздушной линейной усадки близко к 6-7 %, при более высоких значениях в глину необходимо добавлять отощители.

Чувствительностью глин к сушке называют способность сырца отформованного из глины противостоять без трещин и деформации внутренним напряжениям, развивающимся в результате удаления усадочной воды. Эта способность выражается коэффициентом чувствительности, который является показателем трещиностойкости:

Кч = Vу / Vп

Vу - объем усадки; Vп - объем пор

По величине коэффициента чувствительности глинистое сырье делят на три класса: малочувствительные с Кч<1,2; среднечувствительные с Кч=1,2…1,8; высокочувствительные с Кч >1,8.

Воздушную усадку определяют по изменениям линейных размеров образцов-кирпичиков размером 67х30х15 мм при сушке

L = (d1-d2)100/d1,

где d1- расстояние между метками на отформованных образцах, мм; d2- расстояние между метками на образцах после сушки, мм.

Иногда определяют объемную усадку

V = (V1- V2)100/ V1

Воздушная усадка прямо пропорциональна пластичности глин, и по ее значениям можно судить о сушильных свойствах глинистого сырья. Механизм этого явления - сжатие частичек капиллярными силами. По мере испарения влаги поверхностное натяжение в капиллярах увеличивается и сжимает изделие.

Влажность образца, при которой прекращается усадка, по А. Ф. Чижскому, является критической влажностью (при которой заканчивается постоянная и начинается падающая скорость сушки). Критическая влажность отражается на точности определения коэффициента чувствительности, которую можно определить и по следующей формуле

Кч=(щн- щк)/щк

где щн и щк - начальная и критическая абсолютная влажность, %.

За критерий чувствительности глин к сушке принята длительность периода облучения свежесформованного образца лучистым тепловым потоком до момента возникновения в нем трещин (образец размером 55х55х10 мм). Период облучения (t) до появления трещин определяют как среднеарифметическое из результатов испытания трех образцов и оценивают чувствительность глинистого сырья к сушке: высокочувствительное t<100 с;

среднечувствительное t=101-180 с; малочувствительное t>180 с.

Влагопроводность - способность глин пропускать влагу, стремящуюся перейти в процессе сушки из центральных зон сырца к периферийным, т. е. способность к внутренней диффузии.

В среде теплоносителя, имеющего пониженную (по сравнению с сырцом) влажность или практически вообще ее не имеющего, сырец отдает влагу теплоносителю и тем самым уменьшает ее концентрацию в поверхностном слое - такое снятие влаги теплоносителем с поверхности сырца представляет собой внешнюю диффузию.

Чем суше теплоноситель, чем выше ее поглощающая способность и скорость перемещения относительно сырца, тем интенсивнее протекает внешняя диффузия.

Как только начинается процесс внешней диффузии и появляется градиент влажности между поверхностью сырца и его глубинными слоями, так начинает действовать механизм влагопроводности.

Движущими силами в механизме влагопроводности являются разности концентрации влаги, осмотическое давление, капиллярные силы. На влагопроводность влияет также градиент температур.

Процесс внутренней диффузии характеризуется коэффициентом диффузии ам, численно равным массе вещества, диффундирующего через единицу площади за время t при градиенте концентрации, равном 1. Коэффициент диффузии определяет скорость процесса и зависит от природы частиц и состояния диффундирующего вещества.

Миграция влаги в сырце происходит под влиянием многих факторов. Характеристикой миграции является общий коэффициент влагопроводности, который выражается формулой

К =qв/(FTгобДW),

где qв-количество перемещающейся влаги; F- площадь, через которую перемещается влага,м2; Т - время перемещения влаги, ч; гоб - объемный вес абсолютно сухого вещества, кг/м3; W - градиент влажности, равный dW/dt.

Внешняя диффузия и внутренняя миграция влаги протекают до полного удаления свободной воды и установления влажностного равновесия между материалом и теплоносителем.

24. Регулирование технологических свойств глиняных масс. Физическая обработка глинистых пород

На стадии глиноподготовки и формирования шихты при пластическом способе применяют следующие технологические приемы, способствующие повышению качества сырца и готовых изделий: вымораживание глинистой породы, зумпфование, подогрев массы, вакуумирование, виброформование.

Вымораживание глинистой породы обладает высокой технологической эффективностью. Сущность способа заключается в том, что разрыхленную породу замачивают и в таком состоянии подвергают примерно годичному вылеживанию на открытом воздухе. Под влиянием многократных циклов замораживания и оттаивания вода, замерзая в мельчайших капиллярах глиняных частиц и увеличиваясь при этом в объеме, разрушает связи между ними, диспергируя частицы глины. Вследствие этого возрастает удельная поверхность глинистых частиц, более полно завершаются процессы набухания,увеличивается количество связанной воды, обусловливающей более высокую прочность изделий из глинистого теста и улучшаются их формовочные и сушильные свойства.

Зумпфование - распространенный способ активации глинистого сырья вылеживанием, когда добытая летом глина складируется в бурты шириной 1,5-2,0 м, высотой 0,75-1,00 м и заливается водой. В течение 3-4 лет глина подвергается воздействию природных факторов, включая замораживание и оттаивание, увлажнение и высушивание. Изменение структуры природного сырья и его реологических свойств при этом происходит за счет адсорбционного понижения прочности. В результате этого процесса улучшаются формовочные и сушильные свойства глины и снижается брак при формовании, сушке и обжиге изделий.

Вылеживание глины повышает производительность глиноперерабатывающего оборудования и пресса на 20 % и примерно в такой же пропорции снижает расход электроэнергии. Наличие микротрещин позволяет жидкости проникать в поверхностный слой материала и образовывать в трещинах тончайшие пленки, обладающие значительным избытком свободной энергии, возрастающим с уменьшением толщины пленки. Чтобы уменьшить свободную энергию, пленка жидкости стремится "утолститься" в микротрещине, оказывая расклинивающее давление на стенки трещины. Кинетика всасывания зависит от вязкости жидкости, поэтому для интенсификации процесса разрушения следует добавлять ПАВ или электролиты. Для каждого минерала существуют свои, наиболее эффективные добавки: для кварца АlСО3, NaСl, МgС03 - нафтеновое мыло; для глинистых минералов - NaCl. Физическая активация сырья вылеживанием улучшает технологические свойства сырья, но не обеспечивает удаления крупных посторонних и карбонатных включений, не эффективна при плотных и вязких глинистых породах, требует больших площадей и времени.

К физическим способам активации можно отнести также методы, которые в настоящее время выполнены только на уровне лабораторных исследований: обработка дисперсий высоковольтным импульсным разрядом, магнитная обработка воды затворения, использование ультразвука и др.

Подогрев массы. В глиносмесителе осуществляют паро- или газопрогрев глиномассы при температуре 50-80°С через систему нагревательных трубок, что облегчает работу головки пресса и подготавливает отформованное изделие - сырец к более быстрой сушке.

Вакуумирование. При формовании керамического кирпича и камней используют пресса с вакуум-камерой, в которой создается разряжение порядка 600-740 мм рт. ст. При этом происходит удаление воздуха и частично паров воды из глиномассы, благодаря чему масса становится прочнее в сушке и обжиге. При вакуумировании уменьшается на 1-2% влажность глиномассы и на 25-30 % уменьшается усадка керамических изделий при сушке и обжиге. При формовании более пластичных масс вакуумирование должно быть более глубоким.

Виброформование - технологический прием решения задачи устранения свилеватости в отформованных изделиях. При этом осуществляется вибрация глиномассы при движении в головке и мундштуке пресса. Вибрация способствует своеобразному разжижению глиномассы по всему объему. В настоящее время теория изменения тиксотропных свойств глиняных масс при действии на них вибрации практически не исследована.

25. Механические способы активации глинистого сырья. Активация сырья при полусухом прессовании

Механические способы активации

Перспективным способом активации сырья в технологии стеновой и строительной керамики является механический. Для разрушения природной структуры и улучшения керамико-технологических свойств глинистого сырья и добавок применяются следующие способы измельчения: «свободный» удар (дезинтегратор, молотковая дробилка, шахтная мельница); "стесненный" удар (шаровая и стержневая мельницы); сжатие (валковая дробилка); сжатие со сдвигом (бегуны). Работа дезинтеграторов, молотковых дробилок приводит к большому пылеобразованию. Шахтная молотковая мельница приводит к высокому расходу электроэнергии. Ударная обработка материала значительно ускоряет процесс обжига изделий. Активационное диспергирование в струйной мельнице, не вызывая существенного увеличения дисперсности монтмориллонита и гидрослюды, приводит к увеличению числа пластичности на 25-40 %, снижению огнеупорности на 20-120°С, переходу сырья из группы среднеспекаюшегося в группу сильноспекаюшегося.

Активация сырья при полусухом прессовании. Тонкое измельчение в производстве керамического кирпича полусухим способом прессования - одно из наиболее эффективных средств подготовки сырья перед последующими операциями. Оно позволяет не только существенно изменять технологические свойства глин, но и влиять на ход термических превращений в породообразующих минералах. По своим последствиям методы диспергирования можно разделить на три группы.

К первой группе относится механическая активация сырья в агрегатах с удельной энергонапряженностью от 3,8 до 18,2 кВт/т: в дезинтеграторах, валковых, молотковых и конусных дробилках. Недостатки такой схемы переработки: нестабильность гранулометрического состава порошка, неравномерная пофракционная влажность, сложность применения корректирующих добавок, запыленность и загазованность помещений. Чаще всего перед помолом требуется дробление и подсушка сырья, а его измельчение обеспечивает дисперсность с содержанием частиц менее 0,5 мм до 50 %. Такой помол эффективен для устранения вредного влияния карбонатов, если их массовая доля не превышает 5 %. При механической активации не наблюдается глубоких изменений структуры и химического состояния вещества. В процессе помола в основном происходит незначительная поверхностная аморфизация минеральных зерен, а сырье аккумулирует часть приложенной механической энергии и оно становится более реакционноспособным.

Ко второй группе активационного диспергирования можно отнести механотермическую активацию в агрегатах, где одновременно происходит сушка сырья до влажности 2-3 % и его измельчение до дисперсности менее 0,08 мм. Такой помол реализуется в агрегатах с удельной энергонапряженностью 7,5-16 кВт/т с использованием теплоносителя с температурой 200-400°С: мельницы (стержневая, шаровая, молотковая), измельчительно-сушильный агрегат (ИСА), установки и др. Опыт промышленной эксплуатации данных агрегатов показывает, что механотермическая активация снижает чувствительность сырья к сушке на 25-40 % (за счет его частичной дегидратации) и устраняет вредное влияние карбонатов при содержании их в суглинках до 20 %. К последствиям механотермической активации можно отнести увеличение степени аморфизации минералов и дефектов их структуры. Наибольшей деструкции подвергаются глинистые минералы, хлорит, кальцит. При обработке сырья в агрегатах вихревого типа (ИСА-10, “Spin-flash" и др. ) происходит зарядка частиц разными знаками за счет трения (кварц - положительно, глинистые, полевошпатные, железистые минералы - отрицательно), следствием чего является образование гетероминеральных агломератов по типу "оболочка-ядро".

К третьей группе активации следует отнести механохимическую активацию, которая приводит к глубоким изменениям структуры и фазового состава вещества. Она достигается в агрегатах с очень высокой энергонапряженностью, порядка 100-250 кВт/т: в атриторах, газо- и пароструйных и планетарных мельницах, установках «Novomotor» (Германия). Степень помола в них достигает величин порядка 0,01-0,005 мм.

Установлено, что механохимическая активация сырья приводит к увеличению числа пластичности на 25-40 % снижению огнеупорности на 50-1200С, к переходу сырья из группы неспекающегося в группу среднеспекающегося, полностью устраняет вредное влияние карбонатов. За счет существенного увеличения удельной поверхности сырья (5000-6000 см2/г) температура обжига керамических изделий снижается на 60-90°С.

26. Химическая активация глинистых материалов

Химическая активация заключается в том, что в дисперсионную среду вводятся поверхностно-активные вещества, электролиты или водорастворимые полимеры - универсальные регуляторы свойств технических дисперсий. Химическая активация суглинков с помощью ПАВ улучшает не только реологические и сушильные свойства масс, но и качество обожженных изделий: марка кирпича повышается на 1-2 единицы, Кроме поверхностно-активных веществ в технологии широко используются электролиты, щелоче- и кислотосодержащие добавки-отходы. Введение в глиномассу добавок слабоконцентрированной (рН 4,5-5,0) ортофосфорной кислоты способствует снижению кажущейся энергии активации твердофазных реакций и интенсификации в них процессов силикатообразования и диссоциации кальцита. Гидролизный лигнин, имеющий в своем составе химически активные компоненты комплексно воздействует на свойства глиномасс. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), отходы нефтехимической и металлообрабатывающей промышленности содержат 3-5 % эмульсии "вода-масло", водные растворы органических продуктов с добавками эмульгаторов, ингибиторов коррозии, легирующих и бактерицидных веществ. Использование СОЖ в керамическом производстве возможно в качестве пластификаторов, понизителей вязкости суспензий, в качестве веществ, регулирующих упруго-пластические свойства керамической массы при формовании, интенсификаторов процесса сушки.

26. Современные способы производства изделий строительной керамики

Технологический процесс изготовления изделий стеновой керамики включает следующие основные операции: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг. Отдельной операцией является подготовка корректирующих добавок.

Карьерные работы включают добычу, транспортировку и хранение промежуточного запаса глины. Вылеживание замоченной глины, ее вымораживание в течении годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.

Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить или измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделяют из глины, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Можно добиться полного выделения камней из глины гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито, на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распылительных сушилках.

...