Керамические строительные материалы и изделия

Содержание:

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИИ...................................................................................................... 2

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 2

1.2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И..... 3

ИЗДЕЛИЙ................................................................................................................................ 3

2. ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕНОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ.......... 6

3. ТЕХНОЛОГИЯ КИРПИЧА, ИЗГОТОВЛЯЕМОГО СПОСОБОМ ПОЛУСУХОГО ПРЕССОВАНИЯ............................................................................................................................ 7

3.1. Приготовление пресс-порошка...................................................................... 7

3.2.Прессование изделий из керамических порошков............................. 9

3.3. Сушка спрессованного сырца.................................................................... 14

3.4. Обжиг спрессованного сырца.................................................................... 14

3.5. Resume......................................................................................................................... 16

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИИ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Керамические изделия обладают различны ми свой­ствами, которые определяются составом исходного сырья, способами его переработки, а также условиями обжи­га—газовой средой, температурой и длительностью. Материал (т.е. тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики именуют керамическим черепком.

Строительные керамические изделия классифициру­ют по структуре керамического черепка и по их конст­руктивному назначению в отдельных элементах зданий и сооружений.

По структуре черепка различают изделия с пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тон­кой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5%, обычно такой черепок пропуска­ет воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5%; как правило, он водонепроницаем.

У изделий грубой керамики черепок имеет в изломе зернистое строение (макронеоднородный). Большинство строительных керамических изделий — строительный кирпич, черепица, канализационные трубы и др. — являются изделиями грубой керамики.

У изделий тонкой керамики излом черепка име­ет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором.

По конструктивному назначению различают следующие группы керамических строительных материалов и изделий:

стеновые изделия—кирпич, керамические камни и панели из них;

фасадные изделия—лицевой кирпич, различного рода плитки; архитектура-художественные детали, набор­ные панно;

изделия для внутренней облицовки стен—глазурованные плитки и фасонные детали к ним (карнизы, уголки, пояски);

плитки для облицовки пола;

изделия для перекрытий (балки, панели, специальные камни);

кровельные изделия—черепица;

санитарно-строительные изделия—умывальные столы, унитазы, ванны;

дорожные изделия—клинкерный кирпич;

изделия для подземных коммуникаций — канализационные и дренажные трубы;

теплоизоляционные изделия (керамзитокерамические панели, ячеистая керамика, диатомитовые и шамотные легковесные изделия);

заполнители бетонов (керамзит, аглопорит).

1.2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

К керамическим материалам предъявляются раз­личные требования соответственно тем воздействиям, ко­торые они испытывают при использовании их в строи­тельстве. В связи с этим необходимо знать основные свойства керамического материала и пути их регулиро­вания в процессе изготовления различных керамических изделий.

Водопоглощение керамических материалов характе­ризует количественную величину их пористости и соот­ветственно степень спекания, которая в свою очередь влияет на многие рабочие свойства изделий строитель­ной керамики: морозостойкость, паро- и воздухопрони­цаемость, сцепление с раствором, загрязняемость и др. Диапазон этого показателя для изделий строительной керамики в зависимости от их вида и назначения доволь­но велик—от 1—30%.

Предел прочности при сжатии Rcж керамических ма­териалов зависит от их состава и структуры и уменьша­ется с увеличением размера образца. Наиболее важное значение Rсж имеет для изделий стеновой керамики, ко­торые воспринимают большие нагрузки в зданиях и со­оружениях. По этому показателю стеновые изделия маркируют, принимая за марку среднюю величину по результатам испытания пяти образцов.

Для изделий строительной керамики Rсж находится в пределах 7,5—70 МПа.

Между прочностью керамического материала Rcж и его объем­ной массой g прослеживается зависимость, имеющая вид кубической параболы:

а между прочностью пустотелых изделий R`сж и их объемной массой (брутто) g` отмечается зависимость вида квадратичной параболы (рис. 66)

Предел прочности при сжатии пустотелых изделий определяют с учетом их «рабочего» положения в стене.

Общую разрушающую нагрузку делят на площадь брутто.

Предел прочности при изгибе керамических материа­лов Rиз зависит от тех же факторов, что и Rcж, с той лишь разницей, что здесь структура материала оказыва­ет более резкое влияние на его сопротивляемость изги­бу. Так, например, кирпич полусухого прессования имеет меньшую величину предела прочности при изгибе, чем кирпич пластического формования, изготовленный из тех же глин, хотя Rcж последнего ниже, чем у кир­пича полусухого формования.

Предел прочности при изгибе регламентируется ГОСТами для кирпича, поскольку в стене он испытывает не только сжимающие, но и изгибающие нагрузки, вслед­ствие неровностей своей поверхности. Этот показатель регламентируется и для некоторых других керамических изделий. По нему также судят об относительной прочно­сти испытуемого материала и используют его как кос­венный показатель для характеристики некоторых дру­гих свойств глинистого сырья и обожженных изделий (связность, связующая способность, термостойкость)

Для керамических материалов Rиз находится в пре­делах 0,7—5 МП а.

Морозостойкостью называют способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократ­ное попеременное замораживание и оттаивание без приз­наков разрушения и без значительного понижения проч­ности. Показателем морозостойкости является количест­во теплосмен, которое выдерживает материал без признаков разрушения.

Обстоятельные исследования по влиянию грануло-метрии пор на морозостойкость керамических материа­лов выявили следующие положения:

все поры в керамическом материале (с точки зрения морозостойкости) могут быть разделены на три катего­рии: опасные, безопасные и резервные;

опасные поры заполняются водой при насыще­нии на холоду. В них она удерживается при извлечении материала из воды и замерзает при температуре от —15 до —20° С. Диаметр этих пор от 200 до 1 мк для глиняного кирпича пластического прессования, от 200 до 0,1 мк для глиняного кирпича полусухого прессо­вания;

безопасные поры при насыщении на холоду во­дой не заполняются, либо заполнившая их вода не за­мерзает при указанных температурах. Это обычно мел­кие поры. Заполняющая их вода становится по существу пристеночной адсорбированной влагой, имеющей свой­ства почти твердого тела и температуру замерзания су­щественно ниже (—20° С);  

резервные поры при насыщении на холоду пол­ностью заполняются водой, но из них при извлечении об­разца из насыщающего сосуда вода частично вытекает вследствие малых капиллярных сил. Это крупные поры диаметром более 200 мк.

Согласно этим исследованиям, керамический мате­риал будет морозостойким, если в нем объем резервных пор достаточен для компенсации прироста объема замерзающей воды в опасных порах.

Алгебраически это условие выражают (в %) фор­мулой

где С—структурная характеристика материала; Vр и Vоп– объем пор соответственно резервных (размером более 200 мк) и опасных.

Экспериментальная кривая зависимости морозостой­кости полнотелого кирпича от его структурной характе­ристики (рис. 67) показывает, что при С<9% кирпич

является неморозостойким. Пустотелые изделия морозо­стойки при С>6.

Морозостойкость определяет долговечность керами­ческих материалов при их службе в условиях воздействия на них внешней среды. Поэтому требования морозо­стойкости регламентированы ГОСТами для стеновых фасадных, кровельных и некоторых других изделии строительной керамики.

Рис. 67. Зависимость морозо­стойкости глиняного кирпича от его структурной характери­стики

Теплопроводность керамических материалов зависит от их объемной массы (рис. 68, а), состава, вида и раз­мера пор и резко возрастает с увеличением их влажно­сти (рис. 68, б), так как теплопроводность воды [l=0,58 Вт/(м-град)] выше теплопроводности воздуха

[l=0,029 Вт/(м-град)] в 20 раз. Замерзание воды в по­рах материала ведет к дальнейшему резкому возраста­нию его теплопроводности, поскольку теплопроводность льда [l=2,33 Вт/(м-град)] больше теплопроводности абсолютно плотного керамического черепка l= =1,163 Вт/(м-град) примерно в 2 раза, больше тепло­проводности воды в 4 раза и больше теплопроводности воздуха в 80 раз.

Паропроницаемость действующими Гостами и ТУ не регламентирована. Однако в некоторых случаях она влияет на долговечность строительных конструкций.

Низкая паропроницаемость стеновых материалов может явиться причиной потения внутренней поверхности стен, особенно в зданиях с повышенной влажностью воздуха. По экспериментальным данным, коэффициент паропро-ницаемости плиток полусухого прессования с водопогло­щением 8,5; 6,5 и 0,25% соответственно равен 0,155; 0,0525; 0,029 г/(м.ч.Па).

	Рис. 69. Схема возникновения очага замерзшей влаги в многослойной сте­не t — температура; (mп — коэффициент паро-прончцаемости; 1 — основной слой стены с высокой паропроницаемостью; 2—фасад­ная облицовка с низкой газопроницаемостью; 3 — слой замерзшей влаги; / — изме­нение mп по толщине стены; //—измене­ние I по толщине стены

В многослойных стенах неодинаковая газопроницаемость отдельных слоев стены может вызвать накопле­ние влаги в ее толще, последующее ее замерзание и от­слаивание части стены (рис. 69). По этой причине не вполне надежна сквозная фасадная облицовка стен гла­зурованными плитками, обладающими низкой газопроницаемостью [52].

. ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕНОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

К стеновым керамическим изделиям относят глиня­ный строительный кирпич и керамические камни.

Согласно ГОСТ 530—71, кирпич глиняный обыкно­венный представляет собой искусственный камень, име­ющий форму параллелепипеда размером 250Х120Х65 мм, изготовленный из глины с добавками или без них и обожженный. Допускается также изготовление по­луторного кирпича толщиной 88 мм с технологическими пустотами и массой не более 4 кг. Практически его из­готовляют очень редко.

Все керамические изделия конструктивного назначе­ния, имеющие размеры больше кирпича, называют кера­мическими камнями.

Кирпич является одним из наиболее древних искусст­венных строительных изделий. Его «возраст» составляет примерно 5000 лет, и до сего времени он продолжает со­хранять значение одного из основных стеновых матери­алов. Его доля в общем балансе стеновых материалов составляет около 40%.

Рис. 70. Виды керамических стеновых изделий

а — обыкновенный кирпич; б — дырчатый кирпич с круглыми пустота­ми; в—щелевой камень; г—готовый камень НИИСтройкерамики с ромбовидными пустотами для панелей; д — щелевой камень ВНИИСТРОМа для панелей

3. ТЕХНОЛОГИЯ КИРПИЧА, ИЗГОТОВЛЯЕМОГО СПОСОБОМ ПОЛУСУХОГО ПРЕССОВАНИЯ

Основным признаком полусухого прессования кера­мических изделий является формование их из порошков путем компрессионного прессования под значительным Удельным давлением 15—40 МПа.

Технологический процесс изготовления изделий этим способом включает следующие группы операций: карь­ерные работы, приготовление пресс-порошка, прессование, сушку и обжиг изделий. Карьерные работы не имеют в этом случае какой-либо специфики и выполняются соответственно горно-эксплуатационным условиям месторождения глин.

3.1. Приготовление пресс-порошка.

Керамическими пресс-порошками называют высококонцентрированные (мало влажные) дисперсные глинистые системы, не обладающие связностью. Отсутствие связности обусловливавливает наиболее характерное свойство порошков—их сыпучесть, т. е. псевдотекучесть в исходном состоянии. Ее характеризуют скоростью истечения порошка под действием собственной массы через отверстие определенного диаметра. Глиняные порошки должны иметь заданный зерновой (грапулометрический) состав и влажность, должны обладать однородной пофракционной влажностью и содержать минимальное количество пылевидной фракции. Все эти характеристики влияют на прессусмость порошка — его способность к максимальному уплотнению при минимальном давлении с образованием при этом изделий, обладающих однородной плотностью, минимальным упругим расширением и отсутствием трещин расслаивания.

Керамические порошки готовят сушнлыю-помольным и шликерным способами.

При сушильно-помольном способе глину подвергают последовательно грубому дроблению, сушке, помолу просеву и увлажнению. Дробят глину на дезинтеграторных вальцах, а сушат в сушильных барабанах прямотоком, так как при противотоке возникает опасность сильного перегрева глины, частичной ее дегидратации, и большой потери пластических свойств. Температура газов t1, поступающих в барабан, составляет обычно 600—800°С. Снижение t1 обеспечивает более однородную пофракционную влажность, но уменьшает производительность барабана. Повышение t1 сверх указанного предела нецелесообразно, так как оно приводит к дегидратации мелкой фракции глины и обусловливает быстрый выход из строя входной секции барабана. Нормальная температура отходящих газов t2 должна быть 110—120 °С. Резкое повышение t2 свидетельствует о перересушке глины. Температура глины, выгружаемой из сушильного барабана, составляет 60—80 °С. Конечная влажность 9—11%.

При прохождении глины через барабан изменяется ее гранулометрический состав. Мелкие фракции, быстро высыхая, истираются до пылевидного состояния, а крупные куски, распариваясь, слипаются и окатываются в крупные комья. Это обусловливает большую влажностную неоднородность высушенной глины, затрудняющую работу помольных машин. Так, при средней влажности 8,5—12% влажность наиболее крупных кусков достига­ет 15,5—19%. К тому же и в пределах одного куска от­мечается значительный перепад влажности. Некоторое повышение равномерности сушки достигается устройст­вом цепных завес в сушильных барабанах, которые час­тично измельчают глину, создавая тем самым условия для более равномерной ее сушки. Но даже и с наличи­ем цепных завес сушильный барабан нельзя считать до­статочно совершенным в технологическом отношении аг­регатом.

Для помола глины в производстве кирпича применя­ют корзинчатые дезинтеграторы. Они работают устойчиво при влажности глины не выше 10%. При более высоком влажности глина налипает па кожух и на пальцы дезинтеграторов. При наличии в глине каменистых включений пальцы корзин быстро изнашиваются и их необходимо менять через 200—300 ч работы.

Тонина помола зависит от частоты вращения корзин дезинтегратора, расстояния между пальцами и влажно­сти глины. Выход мелких фракций возрастает с увели­чением частоты вращения корзин и уменьшением рас­стояния между пальцами. С повышением влажности глины возрастает количество крупных фракций. Так, на­пример, при влажности 10% сумма крупных фракций (остаток на сите 25 отв. на 1 см2) составляет 96%, а при влажности 6% — всего лишь 66%.

Из дезинтеграторов получают рыхлый порошок ма­лой объемной массы, что затрудняет прессование из не­го изделий.

Просеивают глину для отделения крупных зерен по­рошка. Для этого используют струнные сита, барабан­ные грохоты (бураты), качающиеся и вибрационные си­та. На струнных ситах можно отделять только очень крупные куски глины, так как расстояние между сильно натянутыми струнами значительно изменяется вследствии их изгибания.

При подготовке пресс-порошков не всегда удается после помола получить порошок с влажностью, необхо­димой и достаточной для прессования. Чтобы обеспечить производительную работу помольных машин и необхо­димую тонину помола, приходится иногда сушить и мо­лоть глину при влажности несколько ниже прессовоч­ной, а затем порошок вновь увлажнять. Такое увлажне­ние осуществляют распылением воды в глиномешалках или паром в специальных аппаратах.

Основное требование, которое предъявляют к увлаж­няющему аппарату, сводится к тому, чтобы при увлаж­нении порошка глины не образовались комочки переув­лажненного материала, так называемой «изюм». Для этого воду подают в тонко распыленном состоянии, а весь материал при этом перемешивают. Хорошие резуль­таты получаются при увлажнении глины во взвешенном состоянии, т. е. в момент, когда она выходит из бункера в смеситель. При увлажнении глиняного порошка паром качество кирпича намного улучшается: не появляются трещины расслаивания, возрастают прочность и морозостойкость.

Во всех возможных случаях необходимо избегать повторного увлажнения глиняного порошка, так как добиться при этом равномерной влажности его весьма трудно по следующим причинам: в высушенном порошке крупные зерна являются влажными, а мелкие—более сухими. Влажная поверхность имеет всегда более низкую температуру, чем сухая. Поэтому пар в первую очередь конденсируется на более холодной влажной поверхности крупных кусочков глины. Мелкая ее фракция, наиболее сухая, или совсем не увлажняет­ся, или увлажняется в меньшей мере, в результате чего пофракционная влажность порошка не только не вырав­нивается, но иногда даже возрастает.

Для выравнивания влажности подвергают порошок вылеживанию в бункерах. Однако этот процесс протека­ет довольно медленно. В течение суток практически вы­равнивание влажности достигается в пределах одного зерна, а между отдельными зернами оно еще не насту­пает вследствие относительно небольшой контактной поверхности между ними. Кроме того, увлажнение по­верхности зерен порошка снижает его сыпучесть, что в последующем затрудняет его хранение в бункерах и транспортирование. Поэтому процесс вылеживания по­рошка следует считать полезным, улучшающим его прессовочные свойства, но нужно стремиться осуществ­лять этот процесс по возможности без предварительно­го увлажнения порошка.

Оптимальная влажность порошка зависит от прило­женного прессового давления. Экстремум на кривой «объемная масса прессовки — влажность» соответству­ет оптимальной влажности при данном давлении. Пони­женная (против оптимальной) влажность обусловит су­хой контакт частиц порошка, повышенное внутреннее трение и пониженную плотность прессовки, а превыше­ние оптимальной влажности—образование водных пле­нок между прессуемыми частицами и исключит их непо­средственное контактирование, что в конечном счете также понизит плотность прессовки.

При шликерном способе подготовки пресс-порошка глину в глиноболтушках распускают горячей водой в шликер влажностью 40—45%. Затем его под давлением 0,25 МПа накачивают для отделения каменистых вклю­чений в дуговые сита, откуда очищенным он сливается в открытые шламбассейны вместимостью 2500 или 6000 м3, оборудованные крановыми мешалками. В них также по­ступает для барботажа компрессорный воздух. Из шламбассейна шликер насосом подают в распылитель­ную сушилку, откуда порошок с влажностью 10% посту­пает через контрольное сито в расходные бункера.

Шликерный способ имеет большие преимущества пе­ред сушильно-помольным. При нем в одном агрегате— распылительной сушилке — совмещаются процессы сушки и грануляции глины, резко улучшаются условия производственного комфорта, процесс может быть авто­матизирован.

Пресс-порошок, полученный в распылительных су­шилках, обладает большой влажностной однород­ностью, практически не содержит пылевидной фракции, по гранулометрическому составу приближается к моно­фракционному, из него при прессовании легко удаляет­ся воздух, вследствие чего порошок равномерно пропрессовывается при более низких давлениях. Свойства его стабильны благодаря полной автоматизации про­цесса.

Новые заводы полусухого прессования кирпича стро­ятся только на основе шликерного способа подготовки пресс-порошка.

3.2.Прессование изделий из керамических порошков.

Теория полусухого прессования изучает закономерно­сти, определяющие свойства спрессованного сырца (прессовок) в зависимости от свойств пресс-порошка и условий его прессования.

Керамические порошки представляют собой трех­фазную систему, состоящую из твердой минеральной ча­сти, жидкой фазы — воды и воздуха. Для получения высокоплотного спрессованного полуфабриката из пла­стичных масс целесообразно использовать порошки ти­па монофракционных с выбором конечного давления, обеспечивающего полное устранение расположенных между частицами свободных промежутков за счет пла­стической деформации частиц.

Начало прессования керамического порошка сопро­вождается его уплотнением за счет смещения частиц от­носительно друг друга и их сближения. Это является первой стадией уплотнения. При этом происходит ча­стичное удаление воздуха из системы.

Следующая (вторая) стадия уплотнения характери­зуется пластической необратимой деформацией частиц. При этом увеличивается контактная поверхность между частицами. Одновременно с этим уплотнение каждой элементарной частицы сопровождается выжиманием вла­ги из ее глубинных слоев на контактную поверхность ча­стицы. Оба эти фактора обусловливают возрастание сцепления между частицами. Вода вместе с содержащи­мися в ней глинистыми коллоидами цементирует круп­ные частицы прессовки, а с увеличением контактной по­верхности возрастает эффект такой цементации. В этой стадии уплотнения может иметь место защемление и уп­ругое сжатие воздуха, который не успел удалиться из порошка.

В третьей стадии уплотнения наступает упругая де­формация частиц. Такие деформации наиболее вероят­ны для тонких удлиненных частиц в виде игл и пласти­нок, которые могут изгибаться по схеме зажатой консо­ли или балки, опирающейся на две опоры.

Последняя стадия уплотнения сопровождается хруп­ким разрушением частиц, при котором прессовка полу­чает наибольшее уплотнение и наибольшее сцепление вследствие сильного дальнейшего развития контактной поверхности. Для осуществления хрупких деформаций требуется очень большое давление, которое при полу­сухом прессовании большинства керамических изделий практически не достигается .

После прекращения действия прессующего усилия и освобождения изделия из формы происходит его упру­гое расширение, достигающее в отдельных случаях 8%. Упругое расширение не дает возможности получать прессовки с максимальной плотностью и является причи­ной образования других пороков изделий, спрессованных из порошков.

Причинами упругого расширения могут быть обрати­мые деформации твердых частиц, расширение запрес­сованного воздуха, а также адсорбционное расклинивание контактов влагой, выжатой при прессовании из кон­тактных поверхностей в более крупные поры.

Суммарный эффект уплотнения характеризуется ко­эффициентом сжатия Ксж:

где Н—высота засыпки порошка в форму пресса; h—высота по­лученной прессовки.

Разницу между высотой засыпанного в форму порош­ка и высотой полученной прессовки называют «осадкой» (рис.97).

Зависимость коэффициента сжатия от величины прес­сового давления выражают уравнением прессования. Для глиняных грубозернистых порошков наиболее удов­летворительное совпадение с опытом дает уравнение вида

где Р—величина прессового давления; а и n—константы, опреде­ляемые экспериментом.

Графическую зависимость между осадкой и удель­ным давлением прессования изображают в виде ком­прессионной кривой. Она является основной характери­стикой деформативных свойств (прессуемости) порош­ка. Компрессионные кривые некоторых порошков при­ведены на рис. 98. Из графика видно, что с увеличением удельного давления и влажности осадка возрастает.

Рис. 98. Зависимость между осадкой и удельным давлением прессования глиня­ного порошка при его влажности (в% ) 1—0,004; 2—8,1; 3—11,15; 4—13,25; 5—15,95

Рис. 97. Схема к определению по­нятия «осадки»

По мере возрастания давления осадка сначала интенсивно развивается, затем начинает затухать и при достижении некоторого давления, характерного для каждого порош­ка с данными свойствами, почти полностью прекраща­ется. Это указывает на то, что для каждого порошка с присущими ему прессовочными свойствами существует определенное давление, превышать которое не имеет смысла, так как за его пределами дальнейшего уплот­нения прессовки почти не происходит.

Прессовое давление, приложенное к штампу, затуха­ет в направлении толщины изделия. Закон распределе­ния давления по толщине прессуемого изделия выража­ется уравнением

где РН– давление на расстоянии Н от пуансона; Р0– давление у пуансона; R–гидравлический радиус прессовки

Перепады давления и плотности по толщине прессовки могут быть снижены пластификацией порошков повышением влажности (технологической связки), введением ПАВ, смазывающих веществ и подогревом пресс-формы. Эти же мероприятия снижают неравноплотность в горизонтальных направлениях.

На равноплотность прессовки очень большое влияние оказывает режим прессования. По направленности прессовых усилий различают прессование одностороннее (рис.99,а) и двусторонние (рис.99,б), по кратности их приближения– однократное и многократное прессование, по интенсивности приложения—ударное и плав­ное прессование.

Двухстороннее прессование уменьшает степень неравноплотности прессовки, поскольку путь необходимого перемещения штампа, т. е. величина Н в уравнениях (92) и (93), сокращается вдвое. Поэтому современные прессы изготовляют с двухсторонним прессованием да­же для формования сравнительно тонких изделий.

На рис. 99, б показана схема двухстороннего прессо­вания, осуществляемого при помощи двух подвижных штампов. Но двухстороннее прессование может быть также при одном подвижном штампе и плавающей (сво­бодно-подвижной) форме, как это показано на рис. 100. В этом случае нижний штамп неподвижен, а форма мо­жет перемещаться относительно штампов, для которой они являются направляющими.

При многократном (ступенчатом) прессовании чере­дуются между собой стадии нагрузки, когда штамп да­вит на порошок, со стадиями разгрузки, когда штамп несколько приподнимается и прессовка освобождается от прессующего давления.

Факторы, определяющие качество прессовки, в зна­чительной степени зависят от длительности приложения прессующей нагрузки. Наихудшие результаты получа­ются при ударном прессовании, наилучшие—при плавном приложении нагрузки. При этом увеличивается плотность прессовки, возрастает ее равноплотность, снижается упругое последействие и воздух наиболее полно удаляется из прессуемого порошка.

Для изделий, спрессованных из порошков, харак­терными являются так называемые трещины расслаива­ния. Они возникают на боковых поверхностях прессов­ки, перпендикулярно направлению прессующего усилия (рис. 102), и выводят изделия в брак. В производствен­ном обиходе их возникновение объясняют обычно «пере-

 Рис. 102. Трещины расслаива-ния в изделиях полусухого прессования

прессовкой» изделия, что указывает на чрезмерно боль­шое прессовое давление, которое якобы и является причиной их возникновения. Однако в действительности механизм их возникновения гораздо сложней. Непосред­ственной, ближайшей причиной возникновения трещин расслаивания является упругое расширение прессовки. Расширение является деформацией, а всякая деформа­ция происходит в результате действия каких-то сил. Природа этих сил, возникающих в спрессованном изде­лии и вызывающих его упругое расширение, объясняется отдельными авторами по-разному. Чаще всего их воз­никновение объясняют упругим расширением запрессо­ванного воздуха (первый фактор) и упругим сжатием самой формы (второй фактор), в которой прессуется изделие. Оба эти фактора, несомненно, играют опреде­ленную роль в возникновении трещин расслаивания. Но, кроме того, в работе серией оригинальных опытов было показано, что в действительности отдельные участ­ки прессуемого изделия при одном и том же коэффициенте сжатия и при одном и том же общем прессовом дав­лении получают неодинаковое уплотнение и стараются сместиться в отношении друг друга. В силу этого в из­делии возникает «барический рельеф» (третий фактор), соответствующий различным давлениям и смещениям, которые испытывали отдельные участки изделия во вре­мя его прессования. Напряжения этих смещений и явля­ются зародышами трещин расслаивания.

В соответствии с изложенными представлениями для предотвращения трещин расслаивания рекомендуется применять порошки с возможно большей однородностью зерен по их крупности и, во всяком случае, с удалением из порошка более крупных зерен, оказывающих наиболь­шее сопротивление сжатию. Повышение влажностной однородности порошка также будет снижать его склон­ность к образованию трещин расслаивания, так как со­противление порошка сжатию зависит не только от его гранулометрического состава, но и от его влажности.

Влияние барического рельефа на образование трещин расслаивания не исключает участия в их образовании и запрессованного воздуха, что было подтверждено спе­циальными исследованиями, которыми было уста­новлено, что не весь воздух, содержащийся в порошке, вытесняется из него при прессовании. Подавляющее большинство воздухопроводящих каналов в периферий­ной части прессовок закрывается при сравнительно низ­ких давлениях—0,5 МПа при влажности порошка 10% и 5 МПа при влажности 8—10%. Коэффициент запрес­совки воздуха в порошке Кз.в — доля запрессованного воздуха в общем его объеме в порошке при прессовании тонкозернистых глинистых порошков—находится в пре2 делах 0,37—0,715. Возрастание скорости прессования (переход от гидравлических прессов к рычажным) уве­личивает Кз.в на 20—50%.

Увеличение влажности порошка повышает внутрен­нее давление запрессованного в нем воздуха. Давление его внутри прессовки (при W =10—12%) достигает поч­ти 10 МПа, в то время как при влажности порошка 6—8% давление запрессованного воздуха не превышает 2 МПа. Высокое давление воздуха во влажных порошках приводит к возникновению в прессовках растягивающих напряжений и как следствие к образованию трещин рас­слаивания. В связи с этим некоторые специалисты реко­мендуют прессовать кирпич из порошков пониженной влажности (7—8%), но при более высоких давлениях— 40 МПа.

При медленном прессовании запрессованный воздух более равномерно распределяется в прессуемом порош­ке, в результате чего предотвращается образование от­дельных, более опасных зон, в которых усилия превы­шают прочность прессовки в момент конца ее сжатия.

Грубозернистые отощенные порошки обладают мень­шим Кз.в= 0,303— 0,57; интервал давлений, в которых происходит вытеснение воздуха, растянут у них до 10 МПа, упругое расширение у них ниже—не превыша­ет 4,5%. Поэтому упругое расширение в момент снятия давления у таких порошков почти не происходит и, сле­довательно, процесса расслаивания не наблюдается.

Четвертым фактором, обусловливающим упругое расширение прессовки, являются упругие деформации плоских глинистых частиц. Поэтому склонность к рас­слаиванию прессовок возрастает с увеличением содер­жания глинистой части в порошке.

Для полусухого прессования строительного кирпича серийно изготовляют пресс СМ-01, который является рычажным прессом двухстороннего ступенчатого прессо­вания.

Особенностью этого пресса является то, что подвиж­ные штампы у него только верхние, а двухстороннее прессование они осуществляют при помощи плавающей формы, которая является «манжетом» для нижних не­подвижных штампов. Пресс отличается хорошим запа­сом прочности, в силу чего он работает устойчиво. На некоторых действующих заводах продолжают еще рабо­тать прессы СМ-198 (АМ-11), а также СМ-143. Послед­ние выпускают для производства шамотного кирпича и по режиму прессования мало пригодны для нешамоти-рованных глинистых порошков.

3.3. Сушка спрессованного сырца.

На кирпичных заводах полусухого прессования, построенных до 1950 г., сушка сырца в обособленных искусственных сушилках отсутст­вовала. На этих заводах он досушивался в зоне подготов­ки кольцевой печи. В них процесс досушки практически нерегулируем, что приводит к снижению качества кир­пича и к повышенному выходу брака. На заводах, по­строенных в 1950—1955 гг., спрессованный сырец сушат в туннельных сушилках на печных вагонетках. Длитель­ность сушки 16—24 ч. Конечная влажность 4—6%. Теп­лоносителями являются горячий воздух, отбираемый из зоны остывания туннельных печей, а также их отходя­щие газы. Начальная температура теплоносителя 120— 150° С.

3.4. Обжиг спрессованного сырца.

При обжиге сырца, спрессованного из порошкообразной массы, приходится учитывать своеобразие его структуры, ибо механизм об­разования керамического черепка у изделий пластиче­ского и полусухого прессования неодинаков. Рассмотрим различие этого механизма для случая легкоплавких глин. Структуру свежесформованного сырца пластиче­ского формования, т. е. структуру пластичного глиняно­го теста, в самом схематическом приближении можно представить следующим образом (рис. 103, а). Отдель­ные агрегированные кусочки глины, а главным образом их тощая составляющая часть — кварцевый песок, рас­пределены более или менее равномерно в суспензии коллоидной фракции 1 глины. Дисперсионной средой этой суспензии является водный раствор растворимых солей, содержащихся в глине, а дисперсной фазой—на­ходящаяся в этом растворе во взвешенном состоянии коллоидная фракция глинистых минералов. Эта суспен­зия наполнена более крупными частицами кварца 2 и агрегированными, не распустившимися в воде кусоч­ками глины, которые являются как бы «заполнителями» этой суспензии.

Во время сушки, по мере испарения из сырца влаги, зерна заполнителя сближаются между собой, контактируясь в отдельных точках и гранях, и образуют таким образом скелет высушенного изделия. Суспензия, высыхая, осаждает на скелете свою коллоидную фракцию. Таким образом, зерна заполнителя оказываются покры­тыми сплошной «обмазкой» 3 из коллоидной фракции глины (рис. 103, б). Эта обмазка является наиболее легкоплавкой частью всей керамической массы, так как в ее составе находятся растворимые соли, имеющие на­иболее низкие эвтектические температуры. Важным

в данном случае является и то обстоятельство, что при незначительной общей концентрации этих солей в кера­мической массе местная концентрация их на контактных поверхностях отдельных зерен может достигать сущест­венной величины. По мере нагревания сырца при дости­жении эвтектических температур эта обмазка плавится, образуя стекловидную фазу 4, которая цементирует кон­тактные поверхности отдельных зерен. Кроме того, в образовавшемся жидком расплаве частично растворя­ются поверхностные слои зерен наполнителя, образуя пересыщенные растворы, из которых выкристаллизовы­ваются новые минералообразования, цементирующие скелет в виде кристаллических сростков (рис. 103,в). Жидкая фаза, образующаяся на контактных поверхнос­тях, затекает в трещины и поры и стекает к поверхно­стям частиц, не пришедших еще в контакт, увеличивая тем самым общую величину контактной поверхности.

Очевидно, что количество, состав и состояние жидкой фазы во многом определяют свойства обожженного керамического изделия аналогично тому, как в обычном строительном бетоне его свойства зависят от свойств заполнителя и цементного камня. Так, например, при по­вышенной вязкости и малой подвижности жидкой фазы затрудняются ее перемещение и цементация еще не скле­енных поверхностей, что снижает прочность изделия. На­пряженное состояние стекловидной фазы, аналогично неотожженному стеклу, повышает хрупкость керамиче­ского изделия.

По-иному развивается процесс формирования череп­ка в керамическом изделии полусухого прессования. Его можно представить себе следующим образом. В массе глиняного порошка, поступающего на прессование, име­ются разнородные по влажности агрегированные глиня­ные частицы соответственно различной плотности и раз­личной твердости. Сами агрегированные частицы гли­няного порошка также неоднородны по твердости, так как наряду с пластичной увлажненной массой глинооб-разующих минералов в них содержатся и более крупные зерна тощего материала — главным образом зерна кварца.

В процессе прессования сырца сначала сближаются отдельные агрегированные частицы глины, затем насту­пает их деформация, а в последней стадии прессования более твердые частицы глины вдавливаются в более мяг­кие. Более сухие частицы глины проникают в мягкие увлажненные частицы. Точно так же и твердые зерна кварца вдавливаются в более мягкие агрегированные частицы глины. Возникающие при этом большие силы трения обусловливают прочное сцепление отдельных глиняных частиц в единый агрегированный сросток. Однако в нем отдельные частицы глины все же имеют между собой поверхности раздела, что коренным образом отличает эту структуру от структуры сырца пластического формования, имеющего сплошную массу «коллоидального вяжущего». При полусухом прессова­нии «массив» сырца образуется механическим сближе­нием отдельных зерен керамического порошка, в кото­ром каждое зерно имеет структуру, аналогичную пла­стичному тесту, а в сырце между ними остаются суще­ствовать поверхности раздела, несмотря на кажущееся сильное взаимодействие между зернами порошка при его прессовании.

В сырце полусухого прессования существенно изменяется роль коллоидной фракции. Она действует глав­ным образом не на контактных поверхностях частиц, а внутри самих частиц и агрегирует первичные зерна минералов в глинистую частицу, а не цементирует спрес­сованные частицы друг с другом.

При таком размещении коллоидной фракции жидкая фаза при обжиге развивается в первую очередь не на контактных поверхностях глиняных агрегатов, а внутри их. На контактных поверхностях глинистых агрегатов возникает относительно небольшое количество жидкой фазы. Оно не обеспечивает сплошной цементации кон-

 Рис. 104. Схема структуры обожженного черепка полусу­хого прессования

1 — глинистые агрегаты; 2—жид­кая фаза, цементирующая гли­нистые агрегаты контактным спеканием

тактных поверхностей. Цементация носит в этом слу­чае характер контактного спекания аналогично «точеч­ной сварке» (рис. 104).' Этим объясняется пониженная сопротивляемость изделий полусухого прессования из­гибу.

Ослаблению контактов между спрессованными гли­нистыми агрегатами способствует и своеобразный харак­тер усадки в сырце полусухого прессования. Это своеоб­разие заключается в том, что в сырце полусухого прес­сования каждая частица глины будет претерпевать усадку локально и вследствие этого сокращаться в раз­мерах будет не весь массив сырца, а в отдельности каж­дая частица, отодвигаясь от соседней, вызывая появле­ние напряжений и трещин на поверхностях раздела спрессованных глиняных частиц. Для заполнения этих трещин жидкой фазой необходимо увеличенное ее коли­чество, которое возможно получить лишь за счет повы­шения температуры обжига.

Таким образом, своеобразие структуры и механизма формирования керамического черепка полусухого прес­сования обусловливает его пониженное сопротивление изгибу, повышенную водо- и газопроницаемость, необ­ходимость более высоких температур обжига и в связи с этим применения керамических масс с большим интер­валом спекания. Создание восстановительной среды как в теле обжигаемого кирпича (запрессовкой угля в сы­рец), так и в печном пространстве в последней стадии обжига имеет для интенсификации процессов спекания при обжиге кирпича полусухого прессования еще боль­шее значение, чем при обжиге изделий пластического формования.

3.5. Resume

Сушильно-помольная технология подготовки пресс-порошка не обеспечила получения высокого качества кирпича полусухого прессования, и поэтому строитель­ство новых кирпичных заводов полусухого прессования было прекращено. В настоящее время в связи с резким улучшением технологических свойств пресс-порошка, по­лучаемого в распылительных сушилках, новые заводы полусухого прессования кирпича строятся по шликерной технологии подготовки пресс-порошка. На этих заводах будут вырабатывать преимущественно высокопрочный кирпич, необходимый главным образом для несущих стен многоэтажных зданий.

За рубежом появились прессы для изготовления спо­собом полусухого прессования укрупненных пятистен­ных камней с пустотностью до 50% и размерами, соот­ветствующими восьми стандартным кирпичам, ис­пользование которых может расширить область применения этого способа.