книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

показано в работах [6.2,6.34,6.38], кинетика процесса шликерного литья в существен­ ной мере определяется составом, структурой и пористостью формы. Обусловлено это прежде всего показателем эффективного капиллярного давления/?ф, которое в зависи­ мости от типа гипса и пористости формы может отличаться в 3,5 раза [6.2]. Для кера­ мических форм значения /?ф в четыре - десять раз выше по сравнению с таковым для гипсовых форм [6.2].

Всасывающая способность пористых заполнителей существенно отличается. Законо­ мерности и механизм при этом аналогичны таковым для случая набора массы при шликерном литье. Зерна пористого заполнителя в формовочной системе для керамобетонов могут рассматриваться в качестве своеобразных “микронасосов”, позволяющих благо­ даря высокоразвитой поверхности на разделе фаз осуществлять структурирование сис­ темы при частичном отсасывании свободной жидкости в поры заполнителя.

Применительно к бетонным формовочным системам на основе ВКВС процессы структурообразования (набора массы) за счет пористой подложки многократно уско­ ряются за счет предельного их исходного концентрирования (пу—» 1). Определенный вклад могут вносить и процессы седиментационного осаждения. В случае литых бе­ тонов последний фактор может быть весьма существенным. Желателен выбор таких составов и реотехнологических свойств исходных формовочных систем, которые бы исключали заметное их расслоение.

6.2. Вибрационные методы формования

иукладки огнеупорных бетонов

Впроизводстве огнеупорных бетонов (как монолитных, так и в виде фасонных и крупногабаритных блоков) вибрационные методы формования и укладки применяют­ ся наиболее часто.

Известно несколько способов вибрационного формования. Их выбор определяется целым рядом факторов (габаритные размеры, назначение, требование к бетону и т.д.). Так, если для монолитных футеровок сталеразливочных ковшей или других крупно­ габаритных футеровок применяют сравнительно подвижные смеси вибролитейной консистенции, то для получения ряда фасонных огнеупорных изделий наиболее эф­ фективным является способ вибропрессования жестких смесей с применением опре­ деленного давления (прижима).

Различные аспекты свойств исходных формовочных систем и процессов виброфор­ мования новых огнеупорных бетонов рассмотрены в публикациях [6.39-6.47], одна­ ко, несмотря на исключительную значимость этого вопроса, виброформование новых огнеупорных бетонов изучено крайне недостаточно. Между тем имеются основатель­ ные теоретические исследования, технологические и конструкторские разработки этих процессов применительно к производству строительных бетонов [6.48-6.62]. Несом­ ненно, последние могут оказаться весьма полезными при разработке технологии виб­ рационного формования новых огнеупорных бетонов.

Каждая из стадий характеризуется весьма широким временным диапазоном. Если на первой стадии виброуплотнения преимущественно проявляются силы кулоновско­ го трения, то на второй, сопровождающейся существенным уплотнением, в большей степени проявляются силы вязкого и упругого происхождения и поведение системы условно описывается моделью упруговязкопластичного тела. На третьей стадии, опи­ сываемой моделью Кельвина - Фойгта, в среде проявляются преимущественно вязкие и упругие силы. Скорость перехода смесей в конечное реологическое состояние опре­ деляется преимущественно режимом колебаний или интенсивностью вибровоздей­ ствия, что следует из сравнения кривых 1-3 рис. 6.36. Каждому реологическому со­ стоянию смеси соответствует определенный оптимальный режим виброуплотнения.

На рис. 6.37, б [6.63] представлена полная виброреологическая кривая в координа­ тах 1§ Г) — интенсивность колебаний / для типичной тиксотропной системы.

Характерна аналогия зависимости 1§Л - Р (рис. 6.37, а \ получаемой в условиях сдвиговых деформаций без вибрации, и зависимости 1§ г\ - /, получаемой в вибраци­ онном поле. Это объясняется тем, что в обоих случаях полные реологические кривые выражают зависимость степени разжижения тиксотропной структуры от плотности подводимой к системе механической энергии.

Реологические свойства (жесткость) бетонной смеси, регулируемые (задаваемые) со­ ставом и ее влажностью, в существенной степени определяют параметры виброформо­ вания, в частности, оптимальную амплитуду А. Как следует из рис. 6.38, для виброуп­ лотнения смесей повышенной жесткости необходимо повышенное значение А.

По мере понижения жесткости смеси уменьшается значение оптимальной амплиту­ ды (А]- А 3) и повышается значение минимально достижимой пористости получаемо­ го бетона (Я, - Я3). Следует отметить, что показанные на рис. 6.38 закономерности справедливы для предельного виброуплотнения, определяемого объемной долей в си­ стеме жидкости. На практике же часто встречаются случаи, когда на основе формо­ вочных систем повышенной жесткости получают бетоны высокой пористости ввиду недостаточного виброуплотнения. Поэтому в технологии огнеупорных бетонов пре­ дельно полное разжижение и уплотнение бетонной смеси является основной техноло­ гической задачей.

В связи с этим важно изучение условий удаления воздушной фазы при виброуплот­ нении огнеупорных бетонов. Этот вопрос весьма проблематичен ввиду того, что со-

Рис. 6.37. Типичные реологические кривые течения классических тиксотропных дисперсных систем в условиях сдвиговых деформаций: а— зависимость логарифма вязкости 1&л от напряжения сдвига Р и отсутствие вибрации; б — зависимость 1в т| от интенсивности вибрации /; 1-6 — равновесные уровни вибрационного разрушения структуры, соответствующие параметрам вибрации, приведен­ ным в табл. (А — амплитуда,/— частота)

Рис. 6.38. Общий характер зависимости пористости керамобетона Лб от амплитуды колебаний А в процессе виброформования на основе смесей с пониженной (/), средней (2) и высокой жесткостью (3); остальные обо­ значения — в тексте

держание воздушной фазы может быть весьма существенным. Так, по данным [6.67], для керамобетонов муллитокорундового состава (влажность формовочной смеси 6,6- 7,7 %) содержание газовой фазы составляет 3-5 %, и в общей пористости доля этих пор, образованных пузырьками воздуха, может достигать 20-40 % (отн.). В процессах вибрационного уплотнения наблюдаются эффекты как слияния пузырьковых образо­ ваний, так и их дробление [6.55]. На пузырек воздуха, перемещающийся в бетонной смеси, действуют подъемная сила, сила поверхностного натяжения и выталкивающая инерционная сила. Экспериментально установлено, что для воздухоудаления в про­ цессе виброформования наиболее значительными параметрами являются радиус воз­ душных пузырьков, вибровязкость смеси, частота и амплитуда. Исключительное вли­ яние фактора частоты на скорость миграции воздушных пузырьков из бетонной сме­ си, по данным [6.55], показано на рис. 6.39.

Видно, что с уменьшением диаметра воздушных включений скорость их движения пропорционально снижается, и для их удаления требуются режимы с повышенной частотой. Ввиду полидисперсного распределения пузырьков в формовочных систе­ мах в режимах формования с постоянной частотой достижение достаточно полного воздухоудаления затруднительно. Для этого требуются импульсные поличастотные ударные режимы [6.55, 6.57, 6.60].

Для изучения реологических свойств вяжущих суспензий и бетонных смесей при­ меняют существенно различающиеся по конструкции приборы и установки. Так, если для исследования суспензий наиболее часто применяют ротационные вискозиметры,

Рис. 639. Влияние частоты воздействия на скорость миграции воздушных пузырьков диаметром 2 (/); 3,2 (2); 6 (3); 9 {4) и 13 мм (5); пунктирная кривая — оптимальные значения частоты

В зависимости от способа формования или укладки огнеупорных бетонов, исход­ ным формовочным системам необходимо задавать соответствующие реологические свойства. Например, для вибробетонов с точки зрения достижения оптимальных рео­ логических свойств бетонных смесей вяжущей суспензии, как правило, необходимо “задавать” тиксотропные свойства (по крайней мере, на стадии течения при низких значениях Р или &). В случае формования керамобетонов с жесткофиксированным каркасом заполнителя [6.12] или для саморастекающихся бетонов предпочтительнее дилатантные свойства матричных систем.

Из рассмотренного очевидно, что требуемые реологические свойства бетонных сме­ сей существенно зависят от способа их применения (уплотнения, формования). На­ пример, бетонные смеси, применяемые для заливки под действием собственного веса или для вибролитья, характеризуются существенно меньшими показателями предела текучести и вязкости по сравнению с бетонами, применяемыми для вибропрессова­ ния. Реологические свойства формовочных смесей для огнеупорных бетонов изучены в целом в ряде работ [6.1-6.3,6.30,6.39-6.47]. Однако многие важные вопросы еще не исследованы, что обусловливает целесообразность изучения аналогичных проблем применительно к реологии строительных бетонов [6.48-6.51, 6.55, 6.56]. Основная реологическая и технологическая проблема состоит в уплотняемости бетонных сме­ сей, которая определяется совершенно разнородными группами факторов, например, составом, реологическими свойствами, характером динамического воздействия.

Под воздействием вибрации бетонная смесь приводится в напряженно-деформиро­ ванное состояние. Основные эффекты изменения реологических свойств формовоч­ ной системы связаны со взаимными сдвигами частиц заполнителя, вследствие чего вяжущая (матричная) фаза смеси подвергается сдвиговым деформациям. Последние являются причиной тиксотропного разжижения системы. Градиенты элементарных сдвигов зависят от расстояния между частицами заполнителя и прямо пропорциональ­ ны скорости относительной деформации элементарного объема бетонной смеси. При этом на процесс ее уплотнения определяющее влияние оказывает скорость относи­ тельной деформации системы [6.55, 6.56].

Представления о механизме виброуплотнения бетонной смеси развивались по двум направлениям: корпускулярному и феноменологическому [6.56]. К первом случае бе­ тонная смесь рассматривается в виде системы, состоящей из отдельных частиц (кор­ пускул) заполнителя, соединенных между собой упруговязкими и упруговязкоплас­ тичными двусторонними связями. Преимуществом такой дискретной модели являет­ ся возможность эффективного описания и объяснения реологических процессов, про­ текающих в бетонной смеси. При феноменологическом подходе бетонная смесь рас­ сматривается в виде сплошной среды, схематизируемой упругой, упруговязкой или упруговязкопластичной моделью. Параметры модели могут быть переменными по объему бетонной смеси. Структура же последней при этом выпадает из рассмотрения. В рамках феноменологической теории широкое распространение получили модели Кельвина - Фойгта и Максвелла.

К основным свойствам бетонных смесей, рассматриваемых как упруговязкоплас­ тичное тело, относятся следующие реологические характеристики: прочность струк­ туры, измеряемая сопротивлением сдвигу или предельным напряжением сдвига; пла­

рактерен при сдвиге без вибрации. Эффект вибродилатансии наблюдается как в сис­ темах, для которых в отсутствие вибрации дилагантные свойства не проявляются (или отмечается тиксотропия), так и для типичных дилатантных систем.

В соответствии с изложенным, для систем с подобными реологическими свойства­ ми процесс виброформования должен осуществляться при таких параметрах, кото­ рые бы исключали рассмотренный эффект. Такие режимы, в частности, были реали­ зованы при виброформовании керамобетонов кремнеземистого состава [6.1, 6.47].

Из всего изложенного в этой главе очевидно, что реологические свойства бетонной смеси являются сложной функцией ее фазового и вещественного составов, а также технологических параметров процесса.

6.2.2. Процессы виброформования (виброуплотнения)

В зависимости от целого ряда определяющих факторов формовочные системы мо­ гут характеризоваться существенно различающимися реологическими свойствами. При этом их подвижность (жесткость) может колебаться в исключительно широких преде­ лах. Если при разработке процессов вибролитья ставится задача понижения влажнос­ ти систем по сравнению с обычными литейными, то при вибропрессовании из жест­ ких масс важны удешевление тяжелых прессов, необходимых для получения плотно­ го бетона, устранение или уменьшение упругого расширения [6.68].

На рис. 6.45 представлены схемы виброформования (виброуплотнения) керамичес­ ких материалов по данным [6.68].

Некоторые из этих схем достаточно широко применяются при виброформовании огнеупорных бетонов, остальные могут рассматриваться в качестве перспективных при дальнейшем развитии технологии формования.

Применительно к получению новых огнеупорных бетонов, и в особенности керамо­ бетонов, большой интерес представляет использование для формования жестких и

Л

VII VIII

Р и с . 6 .45. В о зм о ж н ы е схем ы пр о цесса виброф орм ования о гн е у по р н ы х бетонов: 1-У1— си сте м а “в и б ­ р и р ую щ и й контейнер” ; VII— си сте м а “виб рирую щ ая м атрица” ; VIII— си сте м а “ плаваю щ ая м атр и ­

особожестких смесей [6.47]. Подобные смеси в рыхлом состоянии представляют со­ бой почти сыпучий материал, обладающий некоторым сцеплением и характеризую­ щийся низкой плотностью упаковки, вследствие чего объем смеси в 1,5-2 раза превы­ шает объем изделия. Они разжижаются только при весьма интенсивном динамичес­ ком воздействии. В конце уплотнения, как правило, необходимо прикладывать допол­ нительное статическое или динамическое прессующее давление. В связи с этим ис­ ключительную важность при виброформовании огнеупорных бетонов приобретают разработка и применение пригрузов.

В соответствии с [6.57, с. 15] под пригрузом понимается устройство для оказания дополнительного воздействия давлением или сочетанием его с вибрацией (ударом) поверхности формуемого изделия. При этом в зависимости от природы создания до­ полнительного воздействия различают активные и пассивные пригрузы, схемы кото­ рых, по данным [6.57], показаны на рис. 6.46.

Если в активном пригрузе (вибропригрузе) пригружающий механизм снабжен виб­ ратором, то в пассивном источник колебаний отсутствует, и движение пригруза возни­ кает от вибрируемой смеси. При этом пассивные пригрузы оказывают давление на бетонную смесь или за счет собственной массы (гравитационные), или передачи дав­ ления на смесь от внешнего источника (давление воздуха, воды, пружины). Активные пригрузы, работая совместно с виброплощадкой, могут создавать одновременно двух-

12

7

•**.*•*

1ШШ

^Ц $

Рис. 6.46. С х е м ы п р и гр узо в п р и в иб ро ф о рм о вании: а — гр а в и т а ц и о н н ы й ; б — д в у х м а с с о в ы й п о д ­ р е с с о р е н н ы й ; в— в и б р а ц и о н н ы й ; г — п н ев м а ти че ск и й ; д — р ы ч а ж н ы й ; 1 — ф о р м уе м о е и зд е ли е; 2

— ф о р м а ; 3— в и б р о п ло щ а д ка ; 4— о п о р н ы е п р у ж и н ы ; 5— о сн о в а н и е; 6— м е т а л л и ч е с к и й п р и ж и м ;

7— п р и ж и м а ю щ а я п л а ст и н а ; 8 — р е зи но вы е пн ев м ати че ск ие п о д у ш к и ; 9 — м е т а л л и ч е с к и й щ и т ; 10

— п р у ж и н а м ало й ж е с тк о сти ; 11— тяж елая пл и та ; 12— и ст о ч н и к в и б р а ц и и ; 13— н е р а в н о п л е ч н ы е

р ы ч а г и