книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

напряжения сдвига (как в уравнении (7.18)). Зная эту величину, можно рассчитать амплитуду и частоту колебаний при вибрации:

где А – амплитуда, ώ – угловая скорость, n – частота.

Однако, если формуемая смесь очень жесткая, виброуплотнение недостаточно для получения необходимой плотности, т.к. при прекращениивибрацииструктураоченьбыстровосстанавливается исмесьнеуспеваетрастечьсяполностью.Поэтомувтакихслучаях применяют вибрацию одновременно с уплотнением при помощи давления – виброштампование, вибропрессование, вибропрокат.

Недостатки этого способа – необходимость применения тяжелых форм, а следовательно, его высокая металлоемкость. Кроме того, при таком способе формования велика вероятность образования каверн в изделиях.

Формование давлением – прессование – применяют и для получения изделий из порошков. Прочное и плотное изделие можно получить лишь при прессовании порошков определенного зернового состава, обеспечивающего хорошую плотность упаковки частиц. Эффектуплотненияоцениваетсяспомощьюкоэффициентасжатия:

где Н – высота засыпки порошка в форму; h – высота изделия после прессования.

Зависимость между давлением сжатия и Ксж называется компрессионной кривой. Для каждой из порошкообразных масс имеется определенное давление прессования, обеспечивающее сохранность формы изделия после снятия этого давления.

Положительное влияние здесь оказывает влажность порошка (до некоторого предела). Недостатком этого метода является возможность защемления воздуха. Расширяясь после снятия давления, воздух вызывает расслаивание изделия.

Давление неодинаково по высоте изделия. По мере удаления от плиты пресса оно понижается, расходуясь на преодоление трения о стенки изделия и внутреннего трения порошка. Поэтому плотность изделия неоднородна. Для компенсации этого явления можно применять двустороннее прессование.

71

Для получения изделий круглого сечения применяют центрифугирование.

При центрифугировании масса уплотняется за счет центробежных сил. Для равномерного распределения смеси по форме необходимо, чтобы центробежная сила была не меньше силы тяжести, действующей на частицы смеси.

Выразив центробежную силу через число оборотов n, получим уравнение для определения числа оборотов:

где r – радиус формы.

Вчастности, для бетонной смеси, из которой формуют трубу

снаружным радиусом r1 и внутренним r2:

где Р – давление, необходимое для уплотнения бетонной смеси. В некоторых случаях для формования изделий применяют смеси в виде шликеров, шламов, расплавов (пластмассы), обладающих свойствами ньютоновских жидкостей. В этих случаях применяют формование литьем, т.е. состав заливают в форму, внутренняя поверхность которой представляет негативное изоб-

ражение формуемого изделия.

Такой способ формования в производстве строительных материалов используют для получения изделий из высоковлажных керамических масс – шликеров. При этом влажность шликера составляет 38–42 %, а текучесть по вискозиметру Энглера – 20–25 с.

При литье керамических изделий используют два способа полученияотливок:наливнойисливной.Формыдлякерамическоголитья применяютпористые,способныеотсасыватьводуизшликера.

При наливном способе шликером заполняют форму, полость которой по объему равна объему твердой части изготовляемого изделия с учетом усадки его при сушке и обжиге. При наливном способе шликером заполняют форму полностью и выдерживают в ней до снижения влажности до заданной величины.

72

Второй вариант – сливной способ – предполагает использованиеформ,объемполостивкоторыхравенобъемувсегоизделия вместесполостями,которыедолжныбытьсформированывсамом изделии. Обычно это изделия сложной конфигурации. Например, санитарно-технические: унитаз, раковина, мойка и т.п.

При сливном способе шликером заполняют форму также полностью, но выдерживают в форме столько времени, сколько необходимо для уплотнения шликера за счет отсоса воды стенкой формы только из пристеночного слоя шликера. При этом на стенке формируется корка заданной толщины – идет «набор» черепка. Скорость «набора» зависит от вланости шликера, дисперсного состава его твердой части, агрегативной устойчивости шликера, водопоглощения формы. Обычно черепок толщиной 5 мм набирается за 15–20 мин. Последующие 5 мм – за 35–40 мин. По достижении нужной толщины черепка оставшийся шликер сливают через отверстие формы (отсюда и название способа), а отформованноепустотелоеизделиеоставляютвформедоснижениявлажности до необходимой величины.

7.2.4.Тепловая обработка строительных материалов

7.2.4.1.Сушка

Тепловая обработка строительных материалов включает:

1)сушку сырья, полуфабрикатов или готовых изделий;

2)пропаривание бетонов;

3)автоклавную обработку бетонов;

4)обжиг различных материалов.

Любой из перечисленных видов тепловой обработки представляет совокупность гидродинамических, тепловых и массообменных элементарных процессов.

Сушка – процесс удаления влаги из материала.

Влага в твердом состоянии может иметь несколько форм связи с ним.

1.Ионнаявлага(молекулярнаявлага)–химическисвязанная.

2.Адсорбционная влага – электростатически связанная.

3.Структурная влага – захваченная при образовании гелевидных структур.

73

4.Влага микрокапилляров, удерживаемая за счет капиллярного движения.

5.Влага смачивания, удерживаемая силами поверхностного натяжения.

В разных материалах существует одна или несколько форм связи влаги с твердым веществом.

Для сушки необходимо и достаточно, чтобы пропорциональное давление водяных паров на поверхности материала Pm было больше, чем их пропорциональное Рс в окружающей среде.

Если Pm > Pc – влага уходит из материала

Если Pm < Pc – влага адсорбируется материалом.

Отсюда следует важный вывод о существовании равновесной

влажности, при которой Pm = Pc.

ИсследуяравновеснуювлажностьматериалаUp приразличной относительной влажности воздуха φ (%) при постоянном давлении и температуре, строят изотремы сорбции (десорбция) (рис. 7.8).

Поизотермамопределяютвлажность,докоторойнужносушить материал. Если после сушки материал будет храниться при темпера-

74

а–б  –  период прогрева материала, влажность быстро уменьшается, температура поверхности и внутренних частей растут с разной скоростью;

б–в – влажность убывает по линейному закону, температура на поверхности и внутри выравнивается и остается постоянной – период постоянной скорости сушки;

в–г – влажность убывает медленнее, поверхность нагревается, внутренняя часть медленнее. В точке г температуры материала и сушильногоагентаравны(рис.7.10).

нические напряжения, могущие привести к образованию трещин. Поэтому важен правильный выбор скорости сушки.

При сушке происходит внешний и внутренний тепло- и массообмен.

где α – коэффициент теплоотдачи нагревающего (сушильного) агента; tг – его температура; tт – температура материала (поверхности); τ – теплота испарения; ρ – плотность сухого материала; R = V/S – отношение объема материала к его поверхности;

dU/dρ – скорость сушки; dt/dτ – скорость нагрева. Критериальное уравнение внешнего тепломассобмена, полу-

ченное из (7.27):

Sh = BReaScbGueQd,

75

Tг .

Тпара

Внутренний тепломассообмен – перемешение тепла от поверхности тела вовнутрь, осложненное перемещением влаги навстречу тепловому потоку.

Q = – λ t + Ιgм,

где Q –потоктепла;λ–коэффици- ент теплопроводности; t – температурный градиент; Ι – энтальпия влагивматериале;gm –потоквлаги вматериале.

gm = – βΔQ,

где β – коэффициент массопроводности (в данном случае – вла-

Рис. 7.11. Зависимость размеров гопроводности); Q – градиент

образца от влажности потенциала массопереноса. Потенциал массопереноса

определяют экспериментально по эталонному телу:

Q = U/Uτ100 %,

где U – влагосодержание данного материала; Uτ – гигроскопическое влагосодержание тела при 25 оС; Q – градиент потенциала массопереноса, зависит от температуры, давления и градиента влажности материала.

Q определяет скорость миграции влаги внутри твердого тела. Однако аналитически определить скорость влагопереноса не удается, т.к. внутри тела происходит перемещение влаги и по направлению теплового потока, т.е. внутрь тела.

В конечном итоге скорость влагопереноса зависит от скорости нагревания, давления и влажности материала.

Для различных материалов эту зависимость устанавливают экспериментально.

76

7.2.4.2. Пропаривание и автоклавирование

Этот вид тепловой обработки (тепловлажностная) также сопровождается процессами тепло- и массообмена. Он описывается сложными дифференциальными уравнениями, которые в общем виде не имеют решения.

Для расчета количества тепла и количества пара для этих процессов используют критериальное уравнение типа

Nu =A(Pr Ga Rе)a – для теплообмена

и

Sh = B(Sc Ga Ku)b – для массообмена,

где Ga – критерий Галлилея ql3ρ2/μ2 (здесь q – количество тепла на единицу поверхности тела); Ku – критерий Кутателадзе qисп/с t (где qисп – теплота испарения, с – теплоемкость среды).

Значения А, а, B и b устанавливают экспериментально на моделях (т.е. в лабораторных условиях). Их величина зависит от конструкции (геометрических параметров) теплового аппарата и свойств обрабатываемого материала. Так, для проектирования пропарочной камеры для бетона необходимо установить:

1.Скорость подъема температуры в камере от tнач до tиз (или время нагревания).

2.Температуру изотремического прогрева, оптимальную для данных изделий из данного вида бетона. При этом необходимо учесть влияние металлических форм и арматуры.

3.Времявыдержкиприtиз,оптимальноедлятехжеусловий.

4.Время (или скорость) охлаждения от tиз до tкон.

5.Влагосодержаниесредыибетонанакаждомэтапепроцесса.

6.Давление, оптимальное для данного бетона (изделия). Все эти величины зависят от энтальпий среды и бетона

(с учетом форм и арматуры), их теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности, геометрических размеров изделий и аппарата. А в аппаратах непрерывного действия – еще и от скорости движения теплоносителя относительно изделий, и его физических свойств (µ, ρ и т.п.).

Вот простой пример: лабораторный образец бетона имеет толщину b = 0,1 м, коэффициент температуропроводности

77

а = λ/Сρ = 0,05 м2/с, в лабораторной камере его температура поднялась от tнач до tиз за 1 ч. Для этого образца критерий Фурье

Foлаб = 0,15 3600 =1800(а τ/l2). 0,01

В производственной установке изделие из этого же бетона, но с арматурой имеет толщину 1 м, а = 0,25 м2/с.

Теория подобия требует, чтобы Foлаб = Foпром.

Но для того, чтобы это требование было соблюдено, надо изменить время прогрева, т.к. иначе

Foпром = 0,2513600 =900.

Из смысла критерия Фурье следует, что

τ = Foal2 = 9000,251= 7200 с = 2 ч.

Этот пример ясно показывает, что несоблюдение подобия неизбежно приведет либо к браку, либо к перерасходу цемента (недобор прочности из-за малого времени прогрева компенсируют добавлением цемента).

7.2.4.3. Обжиг

Высокотемпературный нагрев для придания необходимых свойств материалам используется в производстве изделий из минерального сырья.

Можно выделить следующие области применения высокотемпературной обработки:

–обжиг сырьевых смесей (шихт) – плавление – для получения расплавов с заданными свойствами – получение стекла, изделий из шлаков, горных пород, ситаллов;

–обжиг сырьевых компонентов без образования расплава

сцелью придания продукту обжига свойств, необходимых для последующей переработки, – получение извести, гипса, магнезиальных вяжущих;

–обжиг с образованием расплава – спекание – для придания конечному продукту производства заданных свойств: керамические изделия, портландцементный клинкер и т.п.

78

Однако эта классификация достаточно условна, поскольку спекание может происходить и без образования расплава (твердофазовое спекание).

Операция обжига в производстве строительных материалов используется либо как одна из промежуточных операций, как в производстве портландцемента, извести, гипса, так и в качестве завершающей операции, после которой изделия должны приобрести окончательную товарную форму – кирпич, керамические плитки, керамзит и т.п.

Наиболее широко и по физическому объему продукции, по количеству потребляемых теплоносителей в производстве строительных материалов используется обжиг для спекания.

При спекании материал претерпевает глубокие физико-хими- ческие изменения, проявляющиеся как изменения физических, гидрофизических, теплофизических и механических свойств. Изменяются фазовый и минералогический состав вещества, плотность и прочность материала, его пористость, водопоглощение, теплопроводность и т.д. Это связано с радикальными изменениями структуры вещества, происходящими под действием высокой температуры. При появлении жидкой фазы – расплава – происходит смачивание им твердых компонентов смеси. За счет сил поверхностного натяжения частицы сближаются между собой. Это выражается в изменении линейных размеров и объема спекаемого изделия

–происходитусадка.Величинаусадкизависиткакотсвойствспека- емогоматериала,такиоттемпературыипродолжительностиобжига. При охлаждении изделия к усадке, связанной с поверхностным натяжением, присоединяется изменение размеров, вызванное термическим расширением твердого вещества. Общая суммарная усадка и определяет плотность спеченного материала.

При охлаждении расплав может закристаллизоваться, но может и остаться аморфным образованием – стеклом. От этого во многом зависят физико-механические свойства спеченного материала, поскольку фазовый состав охлажденного затвердевшего расплава в значительной степени определяет его структуру.

Но помимо фазового состава структура определяется и поровым пространством спека. Поры при спекании возникают как за счет уже существовавших в сырце пор, в значительной степе-

79

ни изменяющих и размеры и форму при спекании под влиянием расплава, так и за счет газовыделения, которое, в свою очередь, может быть связано с различными факторами. Это термическая диссоциация некоторых минералов при обжиге – карбонатов, сульфатов, гидроксидов. Это окислительно-восстановительные процессы, связанные с изменением степени окисления переходных металлов, в частности железа.

Все эти факторы, действуя одновременно в ходе обжига, приводят к образованию структуры спека, обеспечивающей заданные свойства материала. Задачей технолога является назначение режима спекания, способствующего формированию заданной структуры материала.

Под режимом обжига (спекания) понимается оптимальное соотношение температуры и времени обжига на различных этапах операции. Отклонения режима от оптимума могут наступить как вследствие внешних причин, – расход теплоносителя, соотношение теплоносителя и водуха, относительная скорость теплоносителя иобжигаемогоматериала,–такииз-заизмененийсвойствсырца:ми- нералогическийсостав,влажность,плотностьидругиепараметры.

Сведения о соответствии или несоответствии параметров режима оптимальным значениям могут быть получены прямыми замерами температуры и времени, если отклонения вызваны только внешними причинами. Отклонения, причиной которых являются изменения свойств сырца, наиболее точно могут быть установлены исследованием структуры спека.

Обычно исследование собственно структуры является довольно сложной экспериментальной задачей, поскольку оно требует наличия специального оборудования, особой подготовки образцов и высокой квалификации исследователя. Поэтому для получения экспрессной информации о ходе формирования структуры спека при обжиге используют параметры, являющиеся производными от пористости и фазового состава спека: плотность, водопоглощение, усадку при спекании. Экспериментально установленые зависимости между температурой и временем спекания – с одной стороны, и перечисленными выше свойствами – с другой, позволяют своевременно установить отклонения режима от оптимального, вызванные изменениями свойств сырца.

80