CC BY
31
УДК 536.7+66.047
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УСАДКИ ГЛИНИСТЫХ МАСС ПРИ СУШКЕ
ИВАНОВСКИЙ И. К., ОСИПОВ С. Н., РАФЕЕНКОВА Л. В.
ОАО «Минский завод строительных материалов»
При сушке изделий строительной керамики одним из основных факторов, влияющих на качество изделий, являются усадочные свойства формовочных масс. При неравномерной усадке, вызванной постепенным уменьшением влажности от периферии к центральным областям изделия, в зависимости от его конфигурации и особенностей сушки (радиационная, конвективная и др.) образуется сложное поле напряжений, которое в случае превышения прочностных свойств керамической массы приводит к образованию трещин и короблению.
Различные глинистые массы обладают разными усадочными свойствами. Если ранее общепринятой считалась линейная [1] зависимость усадки по мере уменьшения влагосодержания от начального и0 до определенного для каждого вида глинистой массы Цу, при котором резко (примерно на порядок) уменьшается интенсивность усадки и ее практически можно не учитывать, то теперь в результате исследования различных видов глин [2...5] вполне правомерно использование криволинейных зависимостей, позволяющих аналитически описать гораздо большую область усадки. Последнее относится также к глуховскому и глуховецкому каолинам и их смесям [5]. Принимаемая ранее линейная аппроксимация усадочных характеристик керамических масс пластического формования, по-видимому, является частным случаем нелинейной зависимости.
Важность учета вида усадочных характеристик и стохастических свойств следует из полученного на основе использования теоретических основ термоупругости [6] простого аналитического выражения [7] для расчета предельно допустимого по условиям образования поверхностных трещин перепада влагосодержания между поверхностными и внутренними слоями массы
р
&и- • (1)
где Рт - предельная пластическая прочность глинистой массы, МПа; Р -относительный коэффициент усадки, (%)-1; Ет - приведенный модуль деформации, МПа; К - безразмерный коэффициент, учитывающий особенности динамики силовых и прочностных полей при изменении влагосодер-жания керамической массы.
Усредненные значения Р встречаются в научно-технической литературе в значительном количестве для различных глинистых материалов, и все определены исходя из принятого А. В. Лыковым [1] постоянства величины коэффициента усадки в основном диапазоне усадочной влажности. С уче-
том этого принципа в [4] приведены результаты экспериментальных исследований с лукомльской глиной и формовочными смесями на ее основе.
Однако до сих пор в научно-технической литературе отсутствуют результаты исследований стохастичности усадочных свойств глиняных масс, хотя известно явление разброса экспериментальных измерений усадки вокруг аппроксимирующей прямой. Поэтому авторы провели специальные экспериментальные исследования [4] усадки лукомльской глины и различных формовочных масс на ее основе, а также статистическую обработку полученных результатов, исходя из линейной и экспоненциальной аппроксимирующих зависимостей (табл. 1, 2), где: п - количество использованных измерений усадки; Л и = и0 - иу; г - коэффициент корреляции; Кв.о -относительный коэффициент вариации. Также использованы и статистически обработаны графические результаты экспериментов [5] по усадке глу-ховского и глуховецкого каолинов и из смесей.
Таблица 1
Показатели линейной аппроксимации усадочных и стохастических свойств формовочной массы Минского завода строительных материалов на основе лукомльской глины
Показатель п, шт. и>, % иу, % диу, % а! Рь (%)-1 г Кв.о
Лукомльская глина 100 % 4 34,6 29,9 4,7 0 1,24 0,96 0,437
6 29,9 22,7 7,2 4,47 0,27 0,90 0,060
Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 20 % 10 31,9 10,5 21,4 0 0,57 0,97 0,129
Лукомльская глина 80 % + песок 20 % 7 25,3 12,5 12,8 0 0,554 0,96 0,145
Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 10 % + песок 10 % 5 23,2 11,5 11,7 0 0,50 0,96 0,136
Формовочная масса после вакуум-пресса: Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 20 % 5 20,0 10,2 9,8 0 0,63 0,95 0,139
8 19,5 6,4 13,1 0 0,58 0,92 0,162
6 19,2 7,9 11,3 0 0,64 0,91 0,079
6 21,0 10,9 10,1 0 0,62 0,95 0,100
В качестве линейной аппроксимации использовано уравнение
ХР = «1 ±р1.(Цо - и), (2)
где ХР - суммарная относительная линейная усадка образца; а1 - постоянная, зависящая от выбора координат и системы счета; Р. - относительный коэффициент линейной усадки при сушке, (%)-1; и - текущее значение влажности, %.
Для аппроксимации криволинейной зависимости выбрана экспоненциальная форма в виде
ХР = а2(1-ехр[-^(ио - и)]}, (3)
где а2 - постоянная, зависящая от выбора координат и системы счета; -коэффициент, характеризующий интенсивность усадки керамической массы с величиной обезвоживания (сушки), (%)- .
Таблица 2
Показатели экспоненциальной аппроксимации усадочных и стохастических свойств формовочной массы Минского завода строительных материалов на основе лукомльской глины
Показатель п, шт. и„ % иу, % ди, % а2 г Кв.о
Лукомльская глина 100 % 10 34,6 18,5 16,1 8,0 0,227 0,99 0,132
Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 20 % 16 31,9 4,3 27,6 5,8 0,177 0,96 0,058
Лукомльская глина 80 % + песок 20 % 10 25,3 7,8 17,5 6,8 0,154 0,98 0,147
Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 10 % + песок 10 % 8 23,2 7,5 15,7 5,8 0,177 0,99 0,058
Формовочная масса после вакуум-пресса: Лукомльская глина 80 % + гранитный отсев 20 % 15 20,0 3,2 16,8 7,1 0,161 0,94 0,155
14 19,5 3,3 16,2 6,9 0,174 0,95 0,181
15 19,2 3,4 15,8 6,4 0,193 0,92 0,104
15 21,0 3,6 17,4 7,2 0,153 0,99 0,082
Результаты обработки экспериментальных точек, приведенных на графиках в [5], представлены в табл. 3, 4.
Таблица 3
Показатели линейной аппроксимации усадочных и стохастических свойств глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей по [5]
Показатель п, шт. Ц>, % иу, % диу, % а[ Рь (%)-1 г Кв.о
Глуховский 100 % 28 60,74 24,8 35,94 10,28 0,17 0,99 0,184
Глуховский 75 % + глуховец-кий 25 % 12 50,60 24,7 25,90 10,60 0,21 0,99 0,199
Глуховский 50 % + глуховец-кий 50 % 13 41,30 25,3 16,00 12,50 0,30 0,99 0,199
Глуховский 25 % + глуховец-кий 75 % 8 34,10 26,1 8,00 12,50 0,36 0,99 0,17
Глуховецкий 100 % 4 29,60 27,9 1,70 17,00 0,56 0,92 0,19
При криволинейной зависимости величина традиционного коэффициента усадки является переменной, максимум которой приурочен к началу обезвоживания, а минимум - к окончанию процесса усадки. Понятие критической влажности по усадке иу, при которой заканчивается основной процесс, теряет однозначность и становится весьма расплывчатым. Аналитическое решение задач по описанию полей напряжений при криволинейной зависимости усадки от обезвоживания резко усложняется и проведение расчетов становится возможным в основном численными компьютерными методами.
Таблица 4
Показатели экспоненциальной аппроксимации усадочных и стохастических свойств глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей по [5]
Показатель n, шт. U0, % Uy, % ДЦу, % а2 V, (%)-1 r Кв.о
Глуховский 100 % 29 60,74 24,84 35,90 24,1 0,052 0,99 0,304
Глуховский 75 % + глуховец-кий 25 % 13 50,60 20,70 29,90 23,6 0,062 0,77 0,440
Глуховский 50 % + глуховец-кий 50 % 15 41,50 20,50 21,00 31,3 0,080 0,99 0,420
Глуховский 25 % + глуховец-кий 75 % 9 34,10 22,20 11,90 44,8 0,110 0,94 0,430
Глуховецкий 100 % 7 29,60 24,20 5,40 39,1 0,130 0,82 0,280
Необходимо отметить, что приведенное в [4] трехступенчатое изменение коэффициента усадки фактически является частным случаем криволинейной зависимости. При оценке чувствительности к сушке формовочной массы на основе лукомльской глины в лаборатории фирмы «Keller GMBH» (1995 г.) также получена криволинейная зависимость (так называемая кривая Биго). Поэтому в зависимости от цели исследования или практического использования можно принимать в ограниченной области линейную зависимость усадки при обезвоживании керамической массы при постоянном коэффициенте усадки или криволинейную зависимость для существенно большей области при переменной величине коэффициента усадки.
Анализ статистической обработки результатов экспериментальных исследований усадки лукомльской глины и формовочных смесей на ее основе (табл. 1, 2) свидетельствует о том, что при линейной аппроксимации значения коэффициентов корреляции составляют r = 0,90...0,97, а относительных коэффициентов вариации Кв.о = 0,06...0,437. Однако для последнего значения (0,437) особенно характерен необыкновенно большой разброс величин и коэффициента усадки лукомльской глины при высокой влажности, которая не применяется в промышленном производстве кирпича. Уже начиная с влажности U = 29,9 % Кв.о = 0,06 при р1 = 0,27, что значительно меньше по сравнению с остальными величинами для формовочных масс на основе лукомльской глины. Для различных составов формовочных масс r = 0,91...0,97 и Кв.о = 0,079...0,162 при среднем значении Кв.о = 0,112. Необходимо отметить, что после обработки формовочной массы в вакуум-прессах средняя интенсивность усадки возросла на 10...15 % (с 0,50...0,57 до 0,58...0,64).
При использовании экспоненциальной зависимости для аппроксимации результатов экспериментов по усадке лукомльской глины и формовочных масс на ее основе (табл. 2) значения коэффициентов корреляции и вариации имеют примерно такие же значения, как при линейной аппроксимации. Так, среднее значение относительного коэффициента вариации составляет Кв о = 0,115 (при линейной аппроксимации Кв о = 0,112). При этом область экспоненциальной аппроксимации в 1,5...2,0 раза больше по сравнению с линейной.
Величина традиционного коэффициента усадки формовочной массы в случае экспоненциальной зависимости (2) не имеет постоянного значения и численно равна первой производной
рг = а2yгexp[-yг(U„ - и)]. (4)
При и = и0 коэффициент р0 = а2уг-, что является максимальной величиной, характерной только для момента начала усадки при сушке. Для формовочной массы на основе лукомльской глины рг- = 1,03...1,23, а р0/рг- = 1,8...2,1. Последнее создает повышенную опасность трещинообразо-вания в начальном периоде сушки. При высокой начальной влажности 34,6 % лукомльской глины (табл. 1) в начале сушки рг- = 1,24 (%)-1. С уменьшением влагосодержания керамической массы величина коэффициента усадки существенно уменьшается и при и ^ 0 стремится к весьма малой величине, что соответствует всем исследованиям.
Таким образом, для лукомльской глины и формовочных масс на ее основе экспоненциальная интенсивность усадки в процессе обезвоживания более предпочтительна. Однако в ограниченных производственных пределах удобнее пользоваться линейной зависимостью.
Как показывает статистическая обработка результатов экспериментальных исследований усадки глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей [5], четыре линейные зависимости из пяти (табл. 3) характеризуются весьма высокой теснотой корреляционной связи (г > 0,99). Однако при этом относительный коэффициент вариации отклонения фактических данных от аппроксимирующих прямых достаточно велик („,17...„,2„).
При использовании для аппроксимации экспоненциальной зависимости усадки глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей (табл. 4) коэффициент корреляции имеет высокие значения (г > 0,94) и только для глухо-вецкого каолина снижается до 0,82. Однако при этом относительный коэффициент вариации отклонения экспериментальных значений от расчетных достаточно значительный (Кв.о = „,28...„,44), что при необходимости учета даже 5%-го квантиля требует статистического уровня учета коэффициентов усадки в 1,45...1,7 раза выше среднего.
Поэтому для глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей линейная аппроксимация усадки (постоянство относительного коэффициента усадки р) предпочтительнее криволинейной.
Необходимо отметить, что во всех случаях высоких значений Кв.о наибольшие отклонения приурочены к началу процесса усадки, когда абсолютные значения еще достаточно малы. Поэтому для высокочувствительных формовочных масс такие колебания усадочных свойств в начале сушки могут иметь особое значение в процессах коробления и трещи-нообразования. Для формовочных масс средней и особенно малой чувствительности к сушке, когда предельно допустимый по короблению и трещи-нообразованию перепад влажностей превышает 4...5 %, начальный период усадки в определенной степени сглаживается. В этих условиях можно использовать меньшие значения относительного коэффициента вариации по-
рядка Кво = 0,10...0,15. Например, для лабораторной шихты на основе лу-комльской глины суммарное значение относительного коэффициента вариации при линейной аппроксимации составляет Кв.о = 0,17, при экспоненциальной - Кв.о = 0,11. Для производственной формовочной массы после вакуум-прессов при линейной аппроксимации Кв.о = 0,128, при экспоненциальной - Кв.о = 0,132.
При оценке условий трещинообразования в процессе усадки глинистых масс при обезвоживании решающее значение имеет предельно допустимая величина относительной усадки (деформации) в, %. Она является обобщенной характеристикой прочности не только в теории упругости, но и при описании разрушения упругопластичных тел.
Если для упругих тел величина в не зависит от времени, то при деформации пластичных тел в зависит от времени и режима нагружения, а также от процессов релаксации напряжений в объеме, характеризуемых величинами максвелловых и шведовских периодов релаксации, что может вносить существенные коррективы в характеристики трещинообразования [9].
Приведенные в [5] экспериментальные данные по усадке глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей, а также их склонности к трещинообра-зованию по ускоренной методике А. Ф. Чижского [9] позволяют наглядно представить возможное взаимодействие показателей усадки рг- и ДЦу в процессе трещинообразования. Как видно из приведенных на рис. 1 зависимостей, с ростом диапазона влажности активной усадки ДЦу величина относительного показателя, характеризующего чувствительность глинистой массы к сушке тч [9], сначала резко уменьшается, а затем несколько увеличивается (кривая 1), что свидетельствует о переходе от малочувствительного глуховецкого каолина (тч > 250 с [5]) через средне- и сильно чувствительные смеси к такому же глуховскому каолину. При этом величины относительных коэффициентов усадки монотонно уменьшаются (кривая 3).
Рис. 1. Зависимость различных показателей свойств глинистой массы от соотношения глуховецкого и глуховского каолинов: 1(^) - зависимость тч от состава; 2(Д) - зависимость ДЦу; 3(о) -то же р
Тч, с
200 150 100 50 0
100/0 75/25 50/50 25/75 0/100 Глуховецкий + глуховский
Сопоставление влияния величины деформации рассматриваемых каолинов и их смесей с тч и р также подтверждают отмеченную выше закономерность, свидетельствующую о недостаточности оценки условий трещинообразования только по величинам р и ДЦу. Здесь, по-видимому, суще-
ственное влияние на трещинообразование оказывают также другие параметры глинистых масс, к которым следует отнести их прочностные и пластические свойства.
Интересно отметить, что глуховецкий каолин при самом большом значении р = 0,56 характеризуется наименьшим диапазоном влажности активной усадки ДЦу = 2 %. При этом у всех описанных каолинов и их смесей начальные условия по величине предельной пластической прочности Рт были одинаковыми при сушке (Рт « 0,15 МПа [5]).
Необходимо отметить некоторое несовпадение значений рь приведенных в [5], с определенными в результате корреляционного анализа по экспериментальным точкам, представленным там же (рис. 2). Для смесей глу-ховского и глуховецкого каолинов наблюдается явный синергетический эффект (рис. 2) в направлении снижения коэффициентов усадки. 13
0,6
0,4
0,2
0,0
100/0 75/25 50/50 25/75 0/100 Глуховский + глуховецкий
Рис. 2. Влияние состава глуховского и глуховецкого каолинов на величины коэффициентов усадки при сушке: 1 (•) - по данным [5]; 2 (□) - по данным корреляционного анализа
Противоположный синергетический эффект, т. е. в сторону увеличения чувствительности смесей каолинов к сушке, наблюдается при анализе значений тч (рис. 3).
3
Тч,с
200 150 100 50 0
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
Рис. 3. Зависимость некоторых показателей свойств каолиновой массы от относительной деформации усадки при сушке: 1 (•) - зависимость тч = А(е); 2 (о) - зависимость р = Ае)
2
4
6
у, %
Закономерности усадки формовочных масс в процессе сушки могут достаточно хорошо аппроксимироваться не только линейными, но и экспоненциальными зависимостями, что определяется индивидуальными свойствами различных глин. При этом использование экспоненциальных зависимостей позволяет описать зависимость Ер = А(и0 - V) в значительно большем диапазоне изменений влажности по сравнению с линейной. Од-
нако использование нелинейной зависимости Ер = Ди0 - Ц не исключает использования простой линейной зависимости (2).
При использовании глинистых смесей возможны существенные синер-гетические эффекты как в отношении величин коэффициентов усадки, так и других показателей чувствительности глинистых масс к сушке. Поэтому при применении новых или изменении старых составов шихты необходимо проводить независимую оценку чувствительности к сушке и ее предельных режимов.
В Ы В О Д Ы
1. Для лукомльской глины и формовочных масс на ее основе в широком диапазоне влажности удобной формой аппроксимации показателя усадки является экспоненциальная зависимость.
2. После обработки формовочной массы в вакуум-прессе лучшей формой аппроксимации показателя усадки формовочной массы на основе лу-комльской глины в диапазоне основной усадочной влажности является линейная.
3. Для лукомльской глины и формовочных масс на ее основе, а также глуховского и глуховецкого каолинов и их смесей величина относительного коэффициента вариации экспериментальных значений показателей усадки от аппроксимирующих зависимостей может достигать 0,15.. .0,20.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Л ы к о в А. В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с.
2. Л у н д и н а М. Г. Применение дегидратированной глины для сокращения длительности сушки // Сушка керамических изделий. - М.: Профиздат, 1958. - С. 50-63.
3. Е р е м е н к о В. В., Д о л г и х Л. В. Новая методика определения чувствительности глин к сушке.-М.: Стекло и керамика, 1961.-№ 7.-С. 26-28.
4. И в а н о в с к и й И. К., К ал и н и ч е н к о Е. С., О с и п о в С. Н. Некоторые особенности усадки керамической массы пластического формования на основе лукомльской глины // Энергетика. (Изв. высш. учебных заведений и энерг. объединений СНГ). - 2002. -№ 4.-С. 70-85.
5. С у ш к а керамических стройматериалов пластического формования / И. М. Пиев-ский, В. В. Гречина, Г. Д. Назаренко, А. И. Степанова. - Киев: Наук. думка, 1985. - 142 с.
6. К о в а л е н к о А. Д. Основы термоупругости. - Киев: Наук. думка, 1970. - 308 с.
7. О с и п о в С. Н. Особенности тепломассообмена в начальном периоде сушки керамических масс, приводящие к трещинообразованию // Тепломассообмен ММФ-2000: Сб. докл. IV Минского междунар. форума. - Мн.: ИТМ НАН Беларуси. - 2000. - Т. 9. -С. 171-174.
8. Н о х р а т я н А. К. Сушка и обжиг в промышленности строительной керамики. -М.: Госстройиздат, 1962. - 562 с.
9. Ч и ж с к и й А. Ф. Экспресс-метод определения чувствительности глин к сушке // Стекло и керамика. - 1966. - № 9. - С. 27-29.
10. Н и ч и п о р е н к о С. П. Физико-химическая механика дисперсных структур в технологии строительной керамики. - Киев: Наук. думка, 1968. - 76 с.
Представлена кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Поступила 20.04.2005
