CC BY
20УДК 666.965.2
Е.И. ШМИТЬКО, д-р техн. наук, Н.А. ВЕРЛИНА, канд. техн. наук ([email protected])
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Процессы пресс-формования и их влияние на качество кирпича-сырца
Представлены научные основы и практические результаты, касающиеся причин разуплотнения структуры отпрессованного сырца силикатного и керамического кирпича. Основная причина этого явления кроется в большой поверхностной энергии дисперсных частиц твердой фазы, под воздействием которой вода в формовочной смеси становится связанной в виде поверхностных пленок или межзерновых капилляров. Под воздействием внутренних сил происходит самоуплотнение или саморазуплотнение формовочной смеси. Немаловажным является также внутреннее напряжение в отформованном кирпиче, создаваемое гидростатическим давлением защемленного воздуха. Даются практические рекомендации по оптимизации действия этих факторов, которые сводятся к управлению влажностным состоянием исходной формовочной смеси и использованию формовочных прессов, реализующих двухстадийный режим пресс-формования.
Ключевые слова: силикатный кирпич, формование, сырец, формовочная смесь, дисперсные частицы.
E.I. SHMIT'KO, Doctor of Sciences (Engineering), N.A. VERLINA, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (84, 20-letiya Oktyabrya Street, 394006, Voronezh, Russian Federation)
Press-Molding Processes and Their Influence on Adobe Brick Quality
Scientific basis and practical results concerning the reasons for structure decompaction of pressed adobes of silicate and ceramic bricks are presented. The main reason for this phenomenon lies in the large surface energy of disperse particles of the solid phase, under the influence of which the water in the molding mixture becomes connected in the form of surface films or inter-granular capillaries. Under the impact of internal forces, self-compaction or self-decompaction of the molding mix occurs. An internal stress in the molded brick caused by hydro-static pressure of entrapped air is also important. Practical recommendations for optimizing the action of these factors are made. They are the control over humidity state of an initial molding mixture and the use of molding presses implementing the two-stage regime of press-molding. Keywords: silicate brick, molding, adobe, molding mixture, disperse particles.
Современное прессовое оборудование позволяет получить кирпич достаточно высокого качества. И тем не менее используются не все возможности в этом направлении. Некоторые из них рассмотрим в данной статье. Речь идет о балансе внутренних напряжений на микро- и макроуровнях, возникающих в процессе пресс-формования кирпича, как силикатного, так и керамического.
Напряжения на микроуровне обусловлены поверхностными силами твердых частиц, составляющих формовочную массу; напряжения на макроуровне обусловлены величиной прессового давления и динамикой его приложения. Рассмотрим поочередно каждый из этих факторов.
Поверхностные силы являются следствием разорванных или незаполненных внутренних связей между элементарными частицами, составляющими микроструктуру любого вещества [1]. Наибольшей поверхностной энергией обладают твердые вещества, а в их ряду — тонкодисперсные, типа частиц цемента, извести, молотого песка, так как они имеют большую свободную поверхность относительно массы.
В процессах пресс-формования твердые частицы находятся в контакте с водой затворения, которая также проявляет поверхностные силы на границе с твердой фазой. Взаимодействие поверхностных сил на границе твердой и жидкой фаз переводит всю воду затворения при ее малом количестве в пленочное состояние. Вода при этом приобретает жесткую структуру, препятствующую непосредственному контакту твердых частиц между собой, т. е. проявляется расклинивающий эффект. С увеличением расхода воды до определенного предела расклинивающий эффект возрастает. Однако поверхностные силы со стороны твердой фазы по мере удаления от нее постепенно ослабевают, в связи с чем молекулы воды втягиваются в образующиеся пленки все слабее и, наконец, этот процесс совсем приостанавливается. Появляется так называемая объемно-капиллярная вода, заполняющая вначале самые тонкие промежутки между твердыми частицами. Главным структурообразу-
ющим фактором становится поверхностное натяжение воды на границе с воздушной фазой, которая до определенной степени влажности присутствует в структуре материала. Поверхностное натяжение создает в капиллярных порах отрицательное давление, что способствует сближению твердых частиц. Таким образом, возникающие внутренние напряжения способствуют или дополнительному самоуплотнению, или, наоборот, разуплотнению формирующейся структуры материала.
Наиболее четко механизмы этих явлений прослеживаются на свободноуложенных (без приложения внешних сил) системах дисперсный порошок—вода в виде кривых плотности, отражающих изменение этого показателя в процессе самоорганизации структуры [2, 3].
2,4
2.3 2,2 2,1
2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5
1.4
1.3
1.4 1,1
- D ЛЕ
- F
- LU
_ А jfeA" oJ 1 \
VF"
B"
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0,2
0,4
—I-
0,1
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,
2 2,2
0,5
—I 0,6
0,2 0,3 0,4
Содержание воды (относит.) В/Ц-отношение
Рис. 1. Изменение плотности цементно-водной дисперсии в зависимости от содержания воды: 1 - кривая плотности цементно-водной дисперсии; 2 - кривая парциальной плотности твердой фазы
fj научно-технический и производственный журнал
® октябрь 2015
Силикатные строительные материалы
1980
1960
1919
1920 -
о 1900 -
о 1=
1880 -
1860
/ 2 /
- ' V1
1 1 1 1 1 1 1 1
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 В/Т-отношение
0,14 0,16 0,18
Рис. 2. Зависимость плотности прессованных образцов-сырцов от В/Т и дисперсности песка при постоянном прессовом давлении Р=50 Мпа: 1 - вуд 100 м2/кг; 2 - вуд 300 м2/кг; 3 - вуд 400 м2/кг
80
£
60
40
20
0,08 0,12 В/Т-отношение
0,16
Рис. 3. Зависимость прессоваго давления от В/Т и дисперсности песка при заданной межзерновой пористости П=40%: 1 - ¿уд 100 м2/кг; 2 - вуд 300 м2/кг; 3 - вуд 400 м2/кг
50
40
-& <0 30 S 5
20, ¡а
10 -
0 100
400
150 200 250 300 350 Удельная площадь поверхности песка, м2/кг
Рис. 4. Зависимость величины относительной деформации образцов после снятия прессовой нагрузки от различной дисперсности песка
Кривая плотности системы цемент—вода представлена на рис. 1 и включает два участка: нисходящей плотности (АВ и CD) и восходящей плотности (ВС). Нисходящий участок АВ авторы связывают с размещением первых порций воды на зернах цемента пленочно с проявлением пленочного расклинивающего эффекта [1], который и вызывает разуплотнение системы. Но при достижении влажности, соответствующей точке B, расклинивающий эффект уступает капиллярному и в дальнейшем за счет действия капиллярных стягивающих сил происходит самоуплотнение системы (участок ВС). На этом участке влажности точка C является особой — она соответствует переходу трехфазной системы (твердое—жидкость—газ) в
духфазную (твердое—жидкость). При этом из баланса внутренних сил выключается главная сила — сила поверхностного натяжения на границе жидкость—газ и система теряет способность к самоуплотнению, так как она становится полностью оводненной.
При добавлении воды в пределах точек Б и Е капиллярный потенциал полностью исчерпывается и дальнейшее добавление воды вплоть до точки О и далее способствует разуплотнению системы.
Таким образом, соотношение пленочной и капиллярной воды и соответственно пленочных расклинивающих и капиллярных стягивающих сил предопределяет направление самоорганизации структуры любой дисперсной системы.
В процессах прессформования кирпича внутренние силы оказывают значительное влияние как на достигнутую плотность сырца, так и на энергетические затраты на процесс пресс-формования.
Продемонстрируем это. На рис. 2 представлены экспериментально полученные графические зависимости плотности песчано-водной дисперсии, отпрессованной при постоянном прессовом давлении, но с различным расходом воды. В опытах использовался молотый песок.
Использование вместо цемента молотого песка обеспечило чистоту эксперимента, так как это исключило из процессов структурообразования химический фактор, связанный с гидратацией цемента.
Из представленных на рис. 2 результатов следует четкий вывод, что исходная влажность прессуемой смеси 6—8% является самой неблагоприятной, так как ей соответствует самая низкая плотность спрессованного материала, а, как известно, все важнейшие свойства получаемого кирпича (прочность, морозостойкость и др.) находятся в прямой зависимости от его плотности.
Данные, представленные на рис. 2, наглядно коррелируют с кривой плотности (рис. 1). Именно при той влажности, при которой на частицах песка образуются наиболее толстые пленки и создаваемый ими расклинивающий эффект является доминирующим, получили самую низкую плотность спрессованного материала [4, 5].
Важным доказательством того, что побудительная причина всех структурных изменений заключена в избыточной поверхностной энергии твердой фазы, является значительная «разбежка» кривых плотности на рис. 2. Для того чтобы этот фактор представить более доказательным, в опытах в качестве минерального компонента использовали молотый до различной степени крупности песок, имея в виду, что чем тоньше помол, тем выше удельная поверхность частиц песка, тем выше их свободная поверхностная энергия. Как следует из рис. 2, при увеличении удельной поверхности песка от 100 до 400 м2/кг плотность спрессованной при постоянном прессовом давлении песчано-водной смеси в пределах влажности 6—8% снизилась на 25 кг/м3.
Очередное подтверждение высказанной научной гипотезы представлено на рис. 3 в виде зависимости величины прессового давления, необходимого для получения заданной плотности формовочной массы от ее исходной влажности.
Из представленных результатов следует, что заданную плотность спрессованного материала можно получить в любом случае, но при неблагоприятной исходной влажности формовочной смеси энергетические затраты возрастают весьма ощутимо. При этом интересным является то, что достигнутая при столь высоком прессовом давлении плотность после снятия нагрузки частично теряется (рис. 4).
С научной точки зрения можно считать, что сжатые при прессовании поверхностные пленки воды при снятии прессового давления восстанавливают свою исходную (до прессования) толщину не полностью, чему способствует
0
научно-технический и производственный журнал Q'TFOWf1- JJbrlbJ"
октябрь 2015
äS 100
80
в0
40
20
Время прессования, с Рис. 5. Общий вид диаграммы двухстадийной прессовой нагрузки
возросший в процессе сжатия образца капиллярный эффект пропорционально уменьшению размеров капиллярных пор, что подтверждается известной математической формулой для внутрикапиллярного давления [6]:
Р=~
2сгж_г cos 0
(1)
где: гк — средний радиус капилляра; аж_г — поверхностное натяжение на границе жидкость—газ; 0 — угол смачивания твердой фазы жидкостью.
Заканчивая анализ процессов формирования структуры прессованных материалов на микроуровне, следует сделать вывод, что здесь имеет место соотношение нескольких факторов и в каждом конкретном случае требуется их оптимизация путем постановки экспериментальных исследований.
Рассмотрим баланс внутренних сил на макроуровне, возникающих в результате запрессовки и сжатия находящегося в исходной формовочной массе воздуха. В конце цикла прессования давление воздуха оказывается настолько большим, что он способен после снятия прессовой нагрузки нарушить сплошность отформованного сырца. Это неоднократно подтверждалось появлением продольных трещин на боковой поверхности силикатного кирпича, отформованного на старых отечественных прессах, которые реализуют цикл формования в одну стадию.
Внедрение в производство импортных прессов с двухстадийным циклом приложения прессовой нагрузки (рис. 5) во многом сняло проблему горизонтальных расслоений в отформованном сырце силикатного кир-
Список литературы
1. Дерягин В.В., Чураев А.В., Овчаренко Ф.Д. и др. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989. 288 с.
2. Шмитько Е.И., Верлина Н.А., Крылова А.В., Резанов А.А. Эволюция напряженного состояния системы «цемент—вода—модифицирующая добавка» от момента ее приготовления до полного отвердевания // Сборник статей по материалам 7-й международной научной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов». Воронеж, 2013. Том 2. С. 35-44.
3. Шмитько Е.И. Управление процессами твердения и структурообразования бетонов. Дис... докт. техн. наук. Воронеж, 1994. 525 с.
4. Шмитько Е.И., Титова М.В. Управление структурой дисперсно-зернистых материалов с учетом дисперсности и внутренних сил // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 72-73.
5. Титова М.В. Оптимизация пресс-формования изделий из мелкозернистого бетона по критерию энергозатрат в зависимости от дисперсности частиц твердой фазы. Дисс... канд. техн. наук. Воронеж, 2007. 147 с.
6. Таман М.Х.А. Управление процессами структурообра-зования и твердения модифицированных цементных систем применительно к условиям сухого и жаркого климата. Дисс. канд. техн. наук. Воронеж. 2011. 157 с.
пича. Положительный эффект от двухстадийного формования связан главным образом с тем, что после первого цикла излишний воздух уходит и тем самым исключается основная причина возникновения недопустимо высокого внутреннего, распирающего отпрессованный материал давления воздуха.
Но и здесь в связи с вышеизложенным некоторые аспекты требуют дополнительного изучения. Вопросами исследования могут стать обеспечение более высокой воздухопроницаемости кирпича за счет зернового состава, уровня влажности, химических добавок, за счет применения вакуума.
Таким образом, проведенное исследование показывает, что возможности повышения качества кирпича далеко не исчерпаны.
В частности, производителям можно порекомендовать пути повышения качества, которые эффективны относительно как силикатного, так и керамического кирпича.
Прежде всего должны рассматриваться характеристики используемого прессового оборудования. Не вызывает сомнения тот факт, что на прессах, реализующих пресс-формование в один цикл, добиться высокого качества кирпича из-за запрессовки воздуха крайне трудно, например за счет значительного удлинения во времени периода подъема прессового давления. В техническом отношении это крайне сложная задача, требующая кардинального изменения всего приводного механизма пресса. Поэтому основной путь — это приобретение современных прессов с двухстадийным приложением прессовой нагрузки.
Следующий этап повышения качества кирпича — оптимизация влажности формовочной массы, которая в каждом варианте будет своя в зависимости от ее вещественного состава, от степени дисперсности твердых частиц каждого компонента. Поэтому главная задача состоит в максимальном снижении разуплотняющего эффекта со стороны пленочных расклинивающих сил. Так как на каждом предприятии состав и характеристики формовочной массы свои, необходимо поручить лаборатории завода провести экспериментальные исследования, в результате которых должны появиться графические зависимости, аналогичные представленным на рис. 2 и 3. Достигнутая при этом максимальная плотность сырца и должна быть ориентиром для принятия окончательного решения.
References
1. Deryagin V.V., Churaev A.V., Ovcharenko F.D. ets. Voda v dispersnykh sistemakh [The water in dispersed systems]. Moscow: Khimiya. 1989. 288 s.
2. Shmit'ko E.I., Verlina N.A., Krylova A.V., Rezanov A.A. The evolution of the stress state of the "cement-water-builder" from the time of its preparation until complete solidification. Collection of articles on materials of the 7-th International Conference "Fracture mechanics of concrete, reinforced concrete and other building materials". Voronezh. 2013. Vol. 2, pp. 35-44. (In Russian).
3. Shmit'ko E.I. Process management and structure of hardening concrete. Doct. Diss. (Engineering). Voronezh. 1994. 525 p.(In Russian).
4. Shmit'ko E.I., Titova M.V. Management of structure of the dispersion-grained material to the dispersion and internal forces. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 8, pp. 72-73. (In Russian).
5. Titova M.V. Optimization of press molding of products from fine concrete criterion depending on the energy dispersion of solid particles. Cand. Diss. (Engineering). Voronezh. 2007. 147 p. (In Russian).
6. Taman M.Kh.A. Management of processes of structure formation and hardening of the modified cement systems with regard to the conditions of dry and hot climate. Cand. Diss. (Engineering). Voronezh. 2011. 157 p. (In Russian).
0
научно-технический и производственный журнал ® октябрь 2015
