книги из ГПНТБ / Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики учебник

и вязкотекучим состоянием. Таким образом, физический смысл показателя пластичности П хорошо увязывается с трактовкой механизма возникновения и сущности пла­ стического состояния: он определяет интервал влажно­ стей, в котором глина сохраняет пластическое состояние.

В зависимости от числа пластичности П ГОСТ 9169—59 устанавливает классификацию глин по пла­ стичности на следующие пять групп:

Рис. 10. Зависимость пластично­ сти фот влажности W для глин

тогда система будет текучей, либо когда г|-*-оо, тогда система будет хрупкой. Этот показатель пластичности с еще большей четкостью от­ ражает физический смысл пластического состояния. Кривые в коор­ динатах ф— W (рис. 10) дают возможность выявить оптимальную влажность, при которой пластические свойства глин проявляются в максимальной мере.

Пластичность глин зависит прежде всего от их грану­ лометрического состава. С повышением дисперсности

зо

глин их пластичность возрастает, при этом наиболее сильное влияние на пластичность глины оказывает со­ держание в ней фракции размером зерен менее 0,5 мк. В сильной степени пластичность глин зависит от их ми­ нерального типа: наибольшей пластичностью обладают монтмориллонитовые глины, наименьшей — каолинитовые. Запесоченность глин понижает их пластичность.

Формуемостью керамической массы1 называют ее способность деформироваться без разрушения структу-

ры. Количественной мерой формуемости является вели­ чина ctg |3 на диаграмме Рт— W (рис. 11) [13], который должен быть не менее 2. При ctg р < 2 глины формуются плохо.

В последние пятнадцать лет значительное развитие получила новая область науки —• физико-химическая ме­ ханика дисперсных систем [14], изучающая закономер­ ности и механизм образования структур в дисперсных си­ стемах и процесс их деформирования. С позиций этой науки наиболее важное значение для технологии керами­ ки имеют эластичность X, пластичность ср и период истин­ ной релаксации 0. Рассмотрим смысл этих характе­ ристик.

На рис. 12 показана принципиальная диаграмма де­ формационного процесса глины в координатах напряже­ ние Р — относительная деформация е. На участке ОА де­ формации развиваются по линейному закону и являются

1 Керамической массой называют смесь глины с различными до­ бавками.

31

Целиком обратимыми — упругими. При дальнейшем воз­ растании напряжения деформации растут быстрее, чем напряжения. Система переходит в состояние текучести, при котором уже не вся деформация является обрати­ мой. Так, например, если в точке Б разгрузить систему, то деформация будет восстанавливаться по линии БВ. При этом деформация еу будет являться упругой, а е0с —• остаточной (псевдопластической). Напряжение Рк, со­

Б

т

wl

Рис. 13. Диаграмма деформации глины при P = const>

> Р к

ответствующее окончанию упругого состояния системы, называют пределом текучести. При дальнейшем нагру­ жении системы, наступает момент (точка Г) ее лавин­ ного разрушения, которому соответствуют разрушающее напряжение Рр и деформация ер.

Для пластичных тел характерно то, что они принима­ ют любую форму при напряжениях выше предела теку­ чести и сохраняют приданную форму при напряжениях ниже предела текучести.

Упругопластично-вязкие свойства неразрушенных дис­ персных структур характеризуются диаграммой дефор­ мационного процесса в координатах: время т — деформа­ ция чистого сдвига е при постоянном напряжении Р =

=const > Р К (рис. 13).

Вначальный момент то приложения нагрузки, превы­

шающей предел текучести Рк, система получает мгновеи-

32

~ (£ 7 + Я 2) '

Под релаксацией понимают явление постепенного угасания упругих напряжений при неизменной величине вызванной ими деформации.

Рис. 14. Структурно-механиче­ ские типы глин в зависимости от соотношения в них различ­ ных видов деформаций

Перечисленные структурно-механические характери­ стики глины определяют окспернмепталыш снятием кри­ вой деформационного процесса (см. рис. 13) на пластометре конструкции Д. М. Толстого по методике, описан­ ной в работе [13], при оптимальной формовочной влаж­ ности керамической массы (см. рис. 11).

Обычно формовочной влажностью называют ту мак­ симальную влажность, при которой глина способна формоваться под действием усилия руки человека и в то же время не прилипать к рукам и к металлу. Ее иног­ да именуют влажностью коды затворепия и влажностью рабочего теста. Среднее усилие нажатия человеческой руки соответствует примерно 0,2 МПа, а предельное на­ пряжение сдвига при формовочной влажности составля­ ет примерно 0,06 МПа. Формовочная влажность зависит от состава глины: запесочеппость понижает ее, с повы­ шением дисперсности она возрастает, у монтмориллонитовых глин она выше, чем у каолинитовых.

Установлена связь между величиной формовочной влажности

глины ИД, и содержанием в ней глинистого вещества (частиц менее

5 мк) Атл.

где К — опытный коэффициент, величина которого зависит от со­ держания глинистой фракции и равна:

34

Экспериментально установлена также статистическая зависи­ мость между формовочной влажностью и влажностью максимальной молекулярной влагоемкости WMм, имеющая вид [11]:

Приведенное на рис. 11 определение формовочной влажности следует рассматривать лишь как один из показателей, характери­ зующих природные свойства глин. В производственных условиях влажность формуемой глины или керамической смеси назначают в зависимости от давления, которое может развивать пресс. Так, для безвакуумиых шнековых прессов влажность формуемой глины со­ ставляет обычно 20—22%, для вакуумных 17—19%, а в последнее время появились вакуумные шнековые прессы, способные формовать изделия из глин с влажностью 14—15% [12].

Растяжимость глин представляет собой их предель­ ное относительное удлинение при разрыве. Установлено, что величина растяжимости существенно влияет на трещиностойкость керамических изделий при сушке. По ис­ следованиям ВНИИСтрома, величина растяжимости легкоплавких глин составляет 0,2—1,3%.

Сушильные свойства отражают изменения которые происходят в глиняной массе при ее сушке. К их числу относят воздушную усадку, чувствительность глин к сушке и влагопроводные свойства глины.

Воздушная усадка есть уменьшение линейных раз­ меров и объема глиняного образца при его сушке.

Какие же силы обусловливают усадочные деформа­ ции в глине при ее сушке? Очевидно, что ими являются какие-то внутренние силы, поскольку эти деформации возникают при отсутствии внешне приложенных сил. Мо­ жно полагать, что ими являются силы капиллярного дав­ ления, и в этом случае усадочные деформации происхо­ дят вследствие нарушения силового равновесия в капил­ ляре, частично заполненном водой, по следующей схеме: вода 1 объемом VQ (рис. 15,а), не полностью заполняю­ щая капилляр, образованный глинистыми частицами 2, находится под воздействием гравитационных сил Р„ ,

которые уравновешиваются силами капиллярного дав­ ления Рк , действующими по периметру капилляра. По-

лагая, что капилляр имеет в плане круглое сечение диа­ метром do, запишем выражения для обеих сил:

где lio — усредненная высота столба воды в капилляре; а — поверх­ ностное натяжение воды.

Рис. 15. Схема возникновения усадочных деформаций в резуль­ тате действия капиллярных сил

При этом условие силового равновесия в капилляре запишется равенством Р —/*к . Далее представим, что

путем теплового воздействия произведен мгновенный отбор части воды из капилляра (рис. 15,6) и высота ее столба понизилась до h\. Очевидно, что при этом в соот­

пока не изменилась, так как неизменным остался диа­

Так как всякая система стремится восстановить на­ рушенное равновесие, то силы капиллярного давления начнут растягивать столб воды в капилляре. При неиз­ менном его объеме V\ высота столба может увеличить­ ся только за счет уменьшения его поперечного сечения, т. е. диаметра. Но так как вода прочно связана со стен­ ками капилляра (не находящимися в контакте), то столб воды, растягиваясь, будет увлекать за собой частицы

36

глины, которые начнут сближаться, образуя капилляр меньшего сечения (рис. 15, в), и тем самым будут уменьшать размер глиняного образца. Такое сближе­ ние будет происходить до тех пор, пока капиллярные и гравитационные силы в капилляре вновь не уравнове­ сятся либо пока твердые глинистые частицы не окажут­ ся в состоянии контакта. При восстановлении равнове­ сия V2=Vt; d,< d{] Pg =Pg;, Pg,= Р е ­

шении толщины гидратных оболочек

/ — глинистая частица; 2 — гидратная оболочка; 3 — капилляр

Предложено и другое объяснение причин возникновения усадоч­ ных деформаций при сушке, в котором главную роль отводят дей­ ствию осмотических сил по следующей схеме [15]. Связанная вода, образующая вокруг глинистых частиц гидратные оболочки (рис. 16, а), и вода, заполняющая капилляры, содержит катионы, 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 на­ рушает равновесие сил осмотического давления в капилляре и в обо­ лочке связанной воды. Вследствие этого вода из оболочки начинает перемещаться в капилляр, толщина оболочки уменьшается, а вместе с этим уменьшается ее экранирующее действие на глинистую части­ цу, в результате чего силы межмолекулярного притяжения возраста­ ют и частицы глины начинают сближаться (рис. 16,6).

По-видимому, в усадочных деформациях участвуют оба описанных механизма, но действуют они на различ­ ных стадиях усадочного процесса. При высоких влажно­ стях глины преобладающее значение имеют силы капил­ лярного давления, с понижением влажности все боль­ шую роль начинают играть силы осмотического давления и межмолекулярного притяжения.

37

Количественной мерой усадочных явлений при сушке обычно в технологии керамики принято считать величи­ ну относительной усадки Уот'-

Величина относительной воздушной усадки колеб­ лется в пределах 2—8%. Запесоченность глин понижает

Рис. 17. Схема к опреде­ лению коэффициента усадки

воздушную усадку. Монтморидлонитовые глины облада­ ют наибольшей усадкой, каолинитовые — минимальной. Помимо состава и физических свойств глины на величи­ ну усадки влияет еще режим сушки: в условиях медлен­ ной сушки (например, при естественной сушке) величи­ на усадки больше, нежели при жестком режиме искус­ ственной сушки.

Для одной и той же глины величина воздушной усадки зависит от начальной влажности образца. При неиз­ менной конечной величине U образец может иметь раз­ личную длину /0 в зависимости от его начальной влаж­ ности W0 (рис. 17), а это, как нетрудно видеть из зави­ симости (8), будет менять и величину усадки. Поэтому величина воздушной усадки без учета влажности образ­ ца не может являться физической константой, характе­ ризующей усадочные явления, присущие данной глине. В то же время установлено, что зависимость длины гли­ няного образца от его влажности в интервале наличия усадочных явлений описывается прямой линией. Ее на­ клон не зависит от начальной влажности образца, а за­ висит лишь от состава данной глины и поэтому может быть использован как показатель, характеризующий ее усадочные свойства. Угловой коэффициент этой прямой

38

был назван коэффициентом усадки рь который можно рассматривать как физическую константу, характеризу­ ющую усадочные свойства данной глины. В соответст­ вии со схемой рис. 17 можно написать, что

Таким образом, коэффициент линейной усадки fh ха­ рактеризует и н т е н с и в н о с т ь у с а д к и на 1% уда­ ленной влаги. Для объемной усадки р„ справедливо приближенное соотношение

ния — 0,15—0,35.

Влагопроводящая способность. Процесс сушки любо­ го влажного тела, в том числе и глиняного, включает в себя три фазы: перемещение влаги внутри материала, парообразование и перемещение водяных паров с по­ верхности материала (в том числе и внутренней) в окру­ жающую среду. Количественной мерой, косвенно харак­ теризующей интенсивность перемещения влаги внутри материала, является к о э ф ф и ц и е н т д и ф ф у з и и ат, выраженный в м2/ч и являющийся аналогом коэффици­ ента температуропроводности а в процессах внутреннего теплопереноса. Он был введен в математический аппа­ рат для описания процессов сушки на основе термодина­ мической аналогии тепло- и массообмена [16].

Как известно, потенциалом переноса тепла является температу­ ра, а переноса электричества — напряжение. Аналогично этому при­ чиной переноса влаги внутри твердого тела является потенциал пе­ реноса влаги (который не следует отождествлять с влажностью ма­ териала), обозначаемый символом 0, °М (массообменный градус). Шкала градуировки потенциала влагопереноса содержит 100° М ана­ логично шкале Цельсия для температур. Если между собой соприка­ саются два разнородных влажных тела 1 и 2 , у которых потенциалы влагопереноса равны, т. е. 0 i= 02, то влагообмена между ними не будет, даже если существенно различны их влажности.

Аналогично тому как при теплопереносе коэффициент температуропроводности характеризует интенсивность

39