книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

частотную вибрацию на бетонную смесь от двух независимых и различных по частоте источников.

Рассмотренные и показанные на рис. 6.46 пригрузы в зависимости от схемы и тех­ нологических параметров процесса могут осуществлять следующие основные воз­ можные движения системы (виброплощадка - бетонная смесь - пригруз): совместное перемещение всех масс; отрывное движение пригруза, сопровождающееся ударами о бетонную смесь при совместном движении виброплощадки и бетонной смеси. Таким образом, взаимодействие пригруза с поверхностью бетонной смеси возможно либо с отрывом (ударный режим вибротрамбования), либо без отрыва (вибропрессование). В соответствии с данными о применении пригрузов при получении строительных бе­ тонов [6.57-6.62] считается, что основное назначение пригруза — сократить продол­ жительность формования жестких бетонных смесей, улучшить равномерность уплот­ нения и поверхность изделия. Существенная роль пригруза состоит в том, чтобы пре­ дотвратить вибротранспортный эффект в формуемой смеси и устранить нежелатель­ ное завихрение в верхних слоях вибрируемого столба смеси. Кроме того, даже с при­ менением пригруза Рст = 0,01 МПа практически устраняется эффект расслоения бе­ тонной смеси [6.57].

Практика применения пригрузов при виброформовании строительных бетонов по­ казывает, что оптимальная область Рст составляет 0,002-0,02 МПа [6.57]. При виброп­ рессовании керамических материалов и изделий порошковой металлургии значение существенно выше и может достигать 1-5 МПа [6.68,6.69]. В соответствии с пред­ варительными данными, оптимальным для виброформования керамобетонов являет­

ся Рст = 0,05-5-0,1 МПа, т.е. среднее значение между сравниваемыми аналогами.

6.2.3. Общие характеристики формовочных систем

В самом общем виде формовочные свойства бетонных смесей определяются объем­ ной долей каждого из составляющих: заполнителя, вяжущего и воды (дисперсионной среды). Концентрация вяжущего не должна быть избыточной; оптимальное ее содер­ жание определяется требованием сплошности сформованного бетона. Улучшение формовочных свойств возможно за счет увеличения объемной доли вяжущего (матри­ цы) и его влажности. При этом необходимо учитывать противоречивый характер за­ висимостей. Так, для повышения термомеханических и эксплуатационных характе­ ристик огнеупорных бетонов необходимо уменьшать содержание вяжущего и его влаж­ ность. Для улучшения технологических свойств бетонных смесей, напротив, требует­ ся увеличение содержания вяжущего и (или) влажности. Непосредственно после сме­ шения бетонная смесь характеризуется рыхлоупакованным состоянием с небольшой долей рабочих контактов по отношению к общему их числу. Даже кратковременное вибрирование без пригруза (до 3-5 с) приводит к разрушению имеющихся контактов, резкому уплотнению системы и образованию новой структуры. Оболочки вяжущего на зернах заполнителя являются деформируемыми, и при дальнейшем уплотнении происходит как бы слияние оболочек с уменьшением межчастичного зазора между зернами заполнителя. Если на первой стадии система еще имеет открытую порис­ тость и воздух свободно дренируется, то на второй пористость становится замкнутой. На этой стадии, связанной с удалением пузырьков воздуха, отмечается резкое замед-

ление процесса уплотнения. Полное (идеальное) уплотнение бетонной смеси, исклю­ чающее наличие воздушной фазы, на практике редко достигается.

В связи с изложенным, при оптимизации состава бетонных смесей и технологичес­ ких параметров их формования особое внимание уделяют подбору зернового распре­ деления компонентов, влажности смеси и параметров вибрации. Применительно к вибролитью периклазовых керамобетонов, исследования по оптимизации технологи­ ческих параметров проведены комплексным экспериментально-расчетным методом, основанным на применении устройства, показанного на рис. 6.47 [6.70].

Усеченный конус вместимостью 0,5 л, изготовленный из оргстекла, заполняется предварительно подготовленной смесью, поверхность которой выравнивается по вер­ хнему краю. В процессе виброуплотнения по градуировочным меткам на конусе оп­ ределяется кинетика усадки массы, после прекращения вибрации при помощи изме­ рительного инструмента — высота усадки ДА. По градуировочному графику АИ - V

ходного (0,5 л) и конечного (после виброуплотнения) объемов смеси. При помощи формул, приведенных в гл. 5, вычисляют кажущуюся (с учетом влажности) и истин­ ную (плотность “скелета”) плотности массы.

Кажущаяся плотность предельноуплотненной смеси представляет собой плотность суспензии По значениям и составу смеси в массовых долях возможно определе­ ние объемного фазового состава виброуплотненной смеси — показателей объемной доли твердой жидкой С^и газовой фаз. Для оптимальных по составу и консис­ тенции (влажности) вибролитейных систем с зернистым заполнителем характерно наличие определенной доли газовой фазы С^, количество которой определяется из со­ отношения, приведенного в книге [6.2].

По высоте осадки виброуплотненной массы после съема конуса можно определять и консистенцию смеси аналогично тому, как это делается для обычных строительных бетонов. Посредством мокрого рассева виброуплотненного конуса массы на различ-

ных его высотах представляется возможным оценить и седиментационную устойчи­ вость смесей при формовании.

На рис. 6.48 охарактеризованы упаковочные характеристики как исходных порош­ ков, так и формовочных систем в различном состоянии, а на рис. 6.49 показано влия­

ние влажности на показатели Куп и Кутр.

Плотность упаковки монофракций периклаза в насыпном состоянии следует общей закономерности [6.68, с. 26], состоящей в том, что при размере частиц менее 1 мм Куп понижается по мере уменьшения (см. рис. 6.48, кривая 7). Обусловлено это увели­ чением удельной поверхности (рост числа контактов и уменьшение удельного “сжи­ мающего” давления в порошках). Повышение Куп (против максимальных значений для крупных монофракций) достигается при составлении полидисперсных смесей (см. рис. 6.48, кривая 2); дальнейший рост Купнаблюдается для виброуплотненных систем (кривая 5), в особенности при оптимальной влажности (кривая 5). Дополнительное введение оптимального количества крупного заполнителя обусловливает максималь­ ное значение Куп, равное 0,80.

Существенное влияние на К и К оказывает влажность исходной системы. Она определяет прежде всего реологические свойства формовочных систем (или их кон­ систенцию). На кривых изменения Купот влажности, как это было показано ранее [6.2, 6.68], имеется несколько характерных участков. Исходный полидисперсный порошок (IV = 0) характеризуется достаточно высоким К и относительно низким К' (см. рис. 6.49). По мере увлажнения порошков и последующего перемешивания в них по­ являются дополнительные силы сцепления вследствие капиллярного давления воды на контактах частиц, что приводит к существенному разуплотнению системы как в насыпном состоянии, так и после утряски.

Согласно [6.71], капилярная влага в порошке может находиться в различном состо­ янии. При низкой влажности (до 2-3 %) она собирается в местах контактов между

На реологические свойства бетонной смеси влияют зерновой состав и зерновое рас­ пределение частиц твердой фазы, в частности содержание частиц вяжущей фазы. Этот вопрос применительно к НЦОБ изучали авторы статьи [6.45]. Установлено (рис. 6.51), что при повышении в бетонной смеси содержания частиц размером менее 74 мкм с 20 до 40 % текучесть системы возрастает, при этом больший эффект отмечается для те­ чения в покое (кривая 2).

При применении вибрации (кривая 1) пониженное содержание тонкодисперсной фракции не приводит к столь заметному падению текучести. Следует отметить, что в соответствии с кривыми максимальной плотности упаковки бетонов, рассмотренны­ ми в работе [6.1], оптимальное содержание анализируемой фракции (<74 мкм) нахо­ дится в пределах 25-35 %.

Другим примером влияния дисперсности на реологические свойства систем, при­ меняемых для получения НЦОБ, являются данные, показанные на рис. 6.52.

Введение высокодисперсного порошка 8Ю2 (с размером частиц менее 1,0 мкм) в суспензии сравнительно крупнозернистого высокоглиноземистого цемента резко (в 5-6 раз) понижает вязкость системы при условии сохранения той же объемной кон­ центрации системы. Аналогичным образом изменяются и реологические свойства бетонных смесей на основе показанных на рис. 6.52 вяжущих систем. Рассмотренный эффект обусловлен повышением значения СУкрсистемы, сопровождающимся значи­ тельным ростом содержания в ней кинетически свободной жидкости.

Полидисперсность и зерновое распределение заполнителя значительно определяют склонность бетонной смеси к расслоению (например, в процессе виброформования). Этот фактор оказывается также немаловажным и относительно реологических свойств бетонных смесей. Установлено, что бетонные смеси с непрерывным зерновым соста­ вом, как правило, характеризуются большей седиментационной устойчивостью и луч­ шей текучестью, чем смеси с прерывным зерновым составом заполнителя.

Влияние температуры. Исключительное влияние на реологические свойства бе­ тонных смесей оказывает их температура. В соответствии с теорией Френкеля - Эйринга температурная зависимость вязкости Т] имеет вид

ласти тиксотропного течения), то для ВКВС на основе песка (кривые 7) рост вязкости отмечается в области высоких значений 6 (в области дилатантного течения). Сравне­ ние эффекта относительного падения вязкости в области изученных температур для воды (см. рис. 6.53, в, прямая 3) и для ВКВС (кривые 7,2) показывает, что этот эффект только частично зависит от уменьшения вязкости дисперсионной среды ВКВС. Если для воды отношение т ^ /т ^ составляет 2,1, то для ВКВС на основе шамота в области Тиксотропного течения оно достигает 30. Следовательно, основной эффект обуслов­ лен температурным влиянием на процесс структурообразования ВКВС.

Как из показанных на рис. 6.53 данных, так и из ранее опубликованных работ следу­ ет, что общая закономерность реологического поведения анамально вязких суспензий состоит в том, что кажущаяся энергия агаивации Е имеет максимальное значение в области максимальной “структурированности” системы, т.е. эффект температурного разжижения прояаляется тем больше, чем выше вязкость системы. Так, значение Е для ВКВС кварцевого песка [6.73] в области сильного дилатантного течения (высоких значений напряжения сдвига Р) составляет 160-200 кДж/моль, тогда как в области ньютоновского течения Е приближается к значениям, близким к Е воды (16,4 кДж/ моль). Для суспензий глин, характеризующихся существенными тиксотропными свой­ ствами, по мере роста напряжения сдвига Р (разрушение тиксотропной структуры) показатель Е уменьшается. Так, согласно данным [6.74], Е глинистых суспензий по­ нижается со 138 (в области неразрушенной тиксотропной структуры) до 16,8 кДж/ моль (в области разрушенной структуры). При росте температуры с 1 до 60 °С показа­ тель статического предела текучести суспензий глин уменьшается в 4 раза.

В связи с рассмотренными новыми особенностями влияния температуры на реоло­ гические свойства вяжущих дисперсных систем актуальной является проблема разра­ ботки "теплой " технологии огнеупорных бетонов. Сущность заключается в том, что­ бы основные технологические операции (получение ВКВС, стабилизация, смешение, формование или укладка смеси) осуществлялись бы при оптимальных (с точки зре­ ния реологических и технологических характеристик) температурах. Реализация та­ кой технологии позволила бы формовать бетоны с пониженным расходом вяжущего и меньшей влажностью. Кроме того, повышенная температура смеси при укладке дает возможность существенного сокращения периода последующей сушки.

Из изложенного очевидна определенная сложность достижения требуемых реотехнологических свойств бетонных смесей. Вибрация вызывает самоуплотнение формо­ вочной системы, приобретающей при этом свойства тяжелой жидкости. Благодаря этому даже достаточно жесткие смеси проявляют способность к течению и заполне­ нию заданной формы. Переход бетонной смеси под действием вибрации в состояние тяжелой жидкости создает давление, подчиняющееся закону гидростатики [6.55]. Пе­ репад давления в слоях смеси способствует миграции воздушных включений. Круп­ ный заполнитель при вибровоздействии стремится занять устойчивое положение, обес­ печивающее плотную пространственную структуру, обладающую определенной проч­ ностью.

При вибрационном уплотнении подвижных формовочных смесей особое значение приобретает обеспечение однородности свойств бетона по объему, а также устране­ ние его расслаиваемости. При применении жестких смесей необходима достаточная

Рнс. 6.56. Зависимость высоты перетекания массы к от продолжительности вибрации т с частотой 50

(а) и 110 Гц (б) при различных амплитуде колебаний (указана на кривых, мм) и влажности низкоце­ ментного корундового бетона:--------- 5 % ;---------- 4,5 %; - • - •------4,0 %

неупорных бетонов изучены ранее [6.1, 6.47]. Основными контролируемыми пара­ метрами процесса являются амплитуда колебаний и частота колебаний. Оптимальное значение амплитуды колебаний определяется частотой, размерами и плотностью за­ полнителя, жесткостью бетонной смеси. Область технологической устойчивости про­ цесса виброуплотнения согласно [6.60] характеризуется разницей между минималь­ ной и максимальной амплитудой процесса (А^ - АтШ).

Существенное влияние амплитуды и частоты колебаний вибрации на реологичес­ кие свойства бетонной смеси корундового состава (93,3 % А120 3*4,8 % 8Ю2, 1,3 % СаО) следует из данных [6.41, 6.42], показанных на рис. 6.56.

Продолжительность перетекания массы до уровня к = 90 мм при уменьшении амп­ литуды колебании с 0,75 до 0,2 мм при частоте 50 Гц увеличивается в 8 раз. Уменьше­ ние влажности с 5 до 4,5 и 4 % при одних и тех же значениях амплитуды и частоты приводит к резкому снижению текучести (продолжительность достижения уровня к = = 90 мм резко возрастает). С увеличением частоты колебаний с 50 до 110 Гц резко повышается текучесть, и при сравнимых амплитуде колебаний (0,2 мм) и влажности смеси (5 %) продолжительность достижения уровня к = 90 мм уменьшается более чем в 6 раз.

Анализ имеющихся литературных данных по амплитудно-частотным параметрам виброуплотнения бетонных смесей показывает, что ни частота, ни амплитуда не опре­ деляют процесс однозначно. По аналогии с [6.60] можно считать, что оценка критерия эффективности вибрации должна включать их сочетание. При этом эффект вибровоз­ действия определяется интенсивностью Э, под которой принята скорость колебаний Аи> (А — амплитуда, мм; со — угловая частота колебаний, рад/с;/= 2жо, где/ — часто­ та колебаний, Гц). При этом в качестве критерия вибровоздействия применяются со­ четания: Асо2— ускорение; А2со2 — затраченная работа; А2со3 — энергия; А(03— рез­ кость.

Ускорение Асо2 определяют как в единицах ускорения силы земного притяжения так и в м/с2 (# = 9,8 м/с2). В официальных рекомендациях [6.62] определяющими пара­ метрами виброформования назначены как ускорение, так и энергия А2а>3(см2/с3).

На рис. 6.57 показана ориентировочная область (заштрихованные участки) значений интенсивности колебаний при виброформовании керамобетонов жесткой консистенции.