2016

ление прочности глины, нарастающее весьма интенсивно, если нет высыхания материала.

Сушка гранул в период падающей скорости сушки, как правило, совмещается с обжигом гранул в одном агрегате. Учитывая, что в этом периоде скорость сушки не лимитируется усадочными напряжениями, можно допускать более жесткий режим, т.е. применять сушильный агент с повышенной температурой. Таким образом, в этом периоде можно создавать скорость сушки большую, чем в предыдущем периоде.

Рассмотрим некоторые аспекты возникновения трещин в гранулах. Полное разрушение гранулы в процессе сушки может произойти тогда, когда по всему ее объему возникают критические напряжения, вызыF ваемые неравномерностью усадки, когда между центром и поверхноF стью возникает критический перепад влажности, вызываемый большой интенсивностью сушки или малым коэффициентом влагопроводности массы. Обусловленные этим объемные напряжения приводят к появлению трещины на поверхности гранулы. Они возникают обычно в начале сушки, когда не установилось еще параболическое распределеF ние влажности по сечению, соответствующее заданному регулярному режиму, и происходит ее прогрев с постепенным нарастанием скорости сушки до критического значения. Так, при сушке гранул размером от 1,5F2,0 см из смышляевской глины такие трещины возникали при интенсивном удалении первых 4F6 % влаги.

Возникновение адсорбционных микротрещин в гранулах можно предотвратить следующими мерами:

процесс сушки вести до равновесной влажности так, чтобы гранулы не пересыхали;

создавать такие условия сушки, которые сводили бы к минимуму объемные напряжения в гранулах;

не допускать увлажнения высушенных гранул перед обжигом;

совмещать процессы сушки и обжига в одном агрегате без промежуточного охлаждения и складирования.

Сушку гранул ведут в различных агрегатах в зависимости от свойств сырца и задач технологии. Применяют барабанные, слоевые, шахтные агрегаты, сушилки псевдоожиженного слоя.

3.4. Обжиг гранул

Обжиг сырцовых высушенных или подсушенных гранул является наиболее ответственным этапом технологии искусственных пористых заполнителей. Именно в этот период происходит основное формиF рование пористой структуры: завершаются процессы разложения

141

глинистых и других низкотемпературных минералов, происходит плавление легкоплавких составляющих шихты, охлаждается шлаковый расплав с 1400 до 1250 С, возникают кристаллические новообразоF вания, вспучивается пиропластическая масса с большим содержанием расплава или происходит спекание составляющих шихты при малом содержании жидкой фазы. Специфика процессов весьма многообразна и зависит преимущественно от свойств применяемого сырья и задач получения заполнителей с требуемым комплексом свойств.

Гравиеподобные материалы обжигают, как правило, во вращаюF щихся печах, заполнители с ноздреватой щебневидной формой зерен получают дроблением спеков, коржей, полученных обжигом на спекаF тельных решетках (аглопорит) или поризацией доменных, сталеплаF вильных шлаковых расплавов путем их быстрого охлаждения водой.

3.5. Охлаждение заполнителей

Режим охлаждения существенно влияет на свойства пористого заполнителя и, в первую очередь, на его прочность. Влиянию скорости охлаждения на свойства керамзитового гравия и его аналогов посвящено значительное количество работ. Однако единого мнения, а, следовательно, и единой теории о процессах, происходящих при охлажF дении пористых гранул, твердая фаза которых при определенных условиях способна кристаллизоваться, пока не существует.

Выше отмечалось, что противоречивыми являются мнения по вопросу влияния кристаллизации стенок пор на прочность заполниF теля. Многие исследователи сходятся во взглядах об отрицательном влиянии остаточного кварца на прочность заполнителя, но, в то же время, многие убеждены, что катализированная кристаллизация упрочF няет стенки пор и тем самым повышает прочность гравия. Отсюда противоречие в рекомендациях по режимам охлаждения. ПриверженF цы кристаллизации стенок пор предлагают вспученные гранулы выF держивать при высоких температурах в течение достаточно длиF тельного времени.

Исследователи иного направления считают, что после вспучивания гранулы следует быстро охлаждать до температуры, при которой невозможна кристаллизация стекломассы, а затем производить изотерF мическую выдержку для снятия напряжений, возникших в гранулах в период охлаждения и «замороженных» в них благодаря снижению вязкости расплава. А.П. Найденов справедливо полагает, что вспученF ные пористые заполнители состоят в основном из стеклофазы, и

142

поэтому вопросы их охлаждения должны решаться с использованием теории стекла, опыта производства изделий из него.

Границы между различными состояниями стекла в технологии стекла принято связывать с вязкостью. Так, при вязкости 108 Па с, стекло находится в размягченном состоянии; в области вязкости 108F1010 Па с стекло хорошо сохраняет свою форму, но все же в нем могут возникать небольшие пластические деформации под действием внешних и внутренних напряжений. Поэтому в этом интервале вязкостей не могут долго сохраняться внутренние напряжения: они быстро релаксируют вследствие перераспределения частиц.

При вязкости 1012 Па с и выше в стекле начинают проявляться упругие свойства. При таких вязкостях стекло ведет себя как упругоF вязкое тело. Чем ниже температура и чем выше вязкость, тем в большей степени стекло ведет себя как упругое тело. Когда вязкость достигнет приблизительно 1014F1015 Па с, стекло становится упругим телом, в нем практически прекращаются релаксационые процессы. В технологии стекла приняты следующие обозначения температур, характеризующие свойства стекол в области размягчения (табл. 3.16).

Т а б л и ц а 3 . 1 6 Температуры, характеризующие свойства стекла

в области размягчения

143

При охлаждении гранул между поверхностью, непосредственно контактирующей с окружающей средой, и внутренней частью возникает разность температур, величина которой зависит от скорости распространения тепла в грануле, от ее размера и скорости изменения температуры поверхности.

Перепад температур вызывает напряженное состояние в грануле: во внешних слоях – напряжения растяжения, а во внутренних – напряжения сжатия.

Если охлаждение гранул идет в области температур, в которой стекло находится в упругоFхрупком состоянии, т.е. ниже Th , то

возникшие при этом напряжения исчезают с устранением в нем перепадов температуры. Иначе говоря, в упругоFхрупком состоянии стекла процесс образования напряжений обратим. Такие напряжения называются временными.

В том случае, когда охлаждение происходит в области размягчения, когда стекло находится в упругоFвязком или пластичном состоянии, напряжения в грануле частично или полностью релаксируют благодаря пластичным деформациям. С возникновением перепада температур напряжения вновь возникают. Если перепад температур исчезает после того, как гранула охладилась ниже Th , то напряжения в ее теле осF

таются. Эти напряжения, обратные по величине, могут релаксировать лишь при повторном нагреве стекла выше Th . Такие напряжения

называются остаточными или постоянными.

Практически при любой температуре в области размягчения стекла можно привести стекло к такому состоянию, чтобы в нем отсутF ствовали напряжения, более точно – были бы минимальными, не превышающими некоторую допустимую для данных условий примеF нения материала. Интервал, в котором можно производить отжиг стекла, называется областью температур отжига. Определение этого интервала – важная технологическая задача. А.П. Найденов за верхF нюю границу отжига гранул предлагает принять температуру Tw ,

определяемую по кривой термического расширения стекла с помощью дилатометра.

Перепад температур на поверхности и в центре гранулы сохраF няется даже при отжиге, поскольку и в этом интервале происходит снижение температуры, пусть и с небольшой скоростью. Поэтому в гранулах, даже после отжига, сохраняются остаточные напряжения, величина которых зависит от скорости понижения температуры в интервале отжига и от размера зерен заполнителей. Устранение остаточных напряжений – один из основных резервов повышения

144

прочности пористых заполнителей. Очевидно, цена затрат на осуществление мер по снижению величины остаточных напряжений в пористом заполнителе должна быть сопоставима с эффектом, который дает увеличение прочности заполнителя в строительстве, в частности, в стеновых конструкциях.

Охлаждение заполнителей производят в барабанных, слоевых холодильниках, холодильниках с псевдоожиженным и кипящим слоем, в циклонах. Выбор конкретного агрегата для охлаждения того или иного заполнителя зависит, прежде всего, от размера зерен и требований получения заполнителя с заданной прочностью и стойкостью.

145

4.ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА

4.1.Структура зерен пористых заполнителей

Вклассическом материаловедении различают понятия строение и структура материала. Под строением материала понимается со вокупность устойчивых связей вещества, обеспечивающих его целост ность и тождественность самому себе, под структурой материала – форма, размеры, характер взаимного расположения образующих его компонентов. Эти определения являются достаточно общими. Поэтому их стараются конкретизировать, например, путем введения дополниF тельных понятий: строение однородных и неоднородных веществ, кристаллическая структура, стеклообразная структура, аморфноF кристаллическая структура. Различают микроF и макроструктуру; в металловедении дополнительно выделяют субструктуру (тонкую структуру), которую можно наблюдать только при очень больших увеличениях.

Встроительном материаловедении понятия строение и структура отождествляют, приписывая им одно и то же значение, что, собственно,

ипредлагает энциклопедический словарь, в котором записано: «Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойF чивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественF ность самому себе, то есть сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях». Такая трактовка одного из основополагающих понятий материаловедения принята и в настоящем пособии.

Пористые заполнители относятся к аморфноFкристаллическим веществам и являются достаточно сложными неравновесными системами, состоящими из газообразной, аморфной и кристаллической фаз. Каждая из составляющих оказывает существенное влияние на свойства заполнителей.

4.1.1.Пористость заполнителей

Вобщем случае, пористость зерен заполнителей состоит из ячеек крупного размера (0,1 мм и более – видимых невооруженным глазом) – макропористость и ячеек мелкого размера (менее 0,1 мм – видимых под микроскопом) – микропористость, которую часто называют пористостью межпоровых перегородок. На рис. 4.1 показана структура легкого заполнителя марки 250.

146

дисперсный характер распределения пор по размерам при определенF ных условиях обеспечивает высокую вероятность равномерного размеF щения пор меньших размеров между порами больших диаметров (см. рис. 4.1) При этом меняются вид решетки (характер упаковки пор) и общая пористость системы.

Для материала с последовательно убывающим размером пор от D до d при определенном отношении dD решетки постепенно переF

ходят из одинарных в бинарные, затем в тройные и n Fмерные с постеF пенным возрастанием предела пористости.

При четырехмерной решетке удельный объем шаровых пор равен

Дальнейшее уменьшение dD < 0,225 и переход от четырехмерных

к n Fмерным решеткам дают ничтожно малый прирост пористости. Таким образом, пористость 81,2 % можно считать пределом плотной упаковки шаровых пор при их соприкосновении. Получение более высоких значений пористости возможно лишь в условиях деформации пор. Если бы поры одинакового размера были идеально деформиF рованы в форму правильных многогранников, то величина пористости определялась бы выражением

Минимально достижимая толщина межпоровой перегородки завиF сит от среднего размера частиц твердой фазы, плотности упаковки часF тиц в расплаве и текучести расплава, определяемой его вязкостью и поF верхностным натяжением. Наименьшая толщина межпоровой переF городки характерна для полимерных композиций, промежуточная – для керамических материалов и наибольшая – для цементноFпесчаных бетонов. К этому необходимо добавить, что образование перегородки толщиной в одно зерно маловероятно, а если она образуется, то прочность и устойчивость ее минимальны. Попытки снизить плотность гранул за счет уменьшения вязкости и поверхностного натяжения расплава ведут к росту размера пор и резкому снижению прочности. Если предположить, что в межпоровых перегородках пористого заполнителя имеются зерна кварцевого песка, то минимально возможная толщина перегородок может достигнуть величин, приF веденных в табл. 4.2.

148

Т а б л и ц а 4 . 2 Минимально достижимые толщины межпоровых перегородок

в пористых заполнителях в зависимости от размера зерен кристаллической фазы

При отсутствии кристаллических включений (например, в гранулиF рованном пеностекле плотностью зерен з ≤ 250 кг/м3) и максимальном

диаметре поры 1 мм средняя толщина межпоровой перегородки, вычисленная по формуле (4.2), составит 30F35 мкм. На рис. 4.1 видно, что даже у зерен более тяжелых заполнителей толщина межпоровой перегородки достигает 2F3 мкм.

Деформация пор у заполнителей наблюдается при пористости свыF ше 75F80 %, т.е. в заполнителях с плотностью зерен меньше 500 кг/м3 (насыпная плотность меньше 300 кг/м3). Состояние поризованной массы с шарообразными ячейками близко к равновесному, поэтому оно характеризуются повышенной устойчивостью. Отметим также, что деформация пор, как правило, приводит к снижению прочностных поF казателей заполнителей. Однако при деформации мелких пор в правильные многогранники влияние этого фактора невелико.

Высокая пористость и рациональное строение гранул обеспечиF ваются оптимальными значениями следующих характеристик ячеисF той структуры: однородностью распределения пор по сечению гранул, минимальной толщиной межпоровых перегородок,

Однородность распределения пористости в объеме материала. Этот параметр структуры может быть оценен средним квадратическим отклонением (дисперсией) от среднего значения пористости П или

коэффициентом вариации V . Экспериментально установлено, чтоП изменяется от 3 до 11 %, причем с повышением пористости

дисперсия, как правило, увеличивается. Равномерность распределения пор подчиняется статистическим законам. Она зависит от однородноF сти исходной смеси и, прежде всего, от равномерности распределения порообразователя; однородности температурного поля и реологических характеристик по объему материала; кинетики изменения пластичноF

149

вязких свойств массы во времени и ряда других технологических факторов.

Толщина межпоровых перегородок. Этот показатель объединяет три параметра: толщину перегородки (величину сечения в наиболее тонкой части), равномерность сечения перегородки по периметру поры (неодF нородность сечения в пределах одной поры) и неоднородность толщин перегородок в объеме материала. Толщина перегородок зависит от величины пористости, формы поры, плотности упаковки твердых частиц и среднего размера частиц компонентов теплоизоляционного материала. В конечном счете, исходные компоненты и способ пориF зации – технология производства – определяют среднюю толщину межпоровой перегородки.

Равномерность сечения перегородки по периметру пор зависит от характера упаковки пор в объеме материала, степени и вида дефорF мации пор, полидисперсности распределения пор по размерам. Этот параметр не поддается прямому регулированию. С увеличением объема пористости равномерность сечения перегородок повышается.

На неоднородность толщины перегородок в объеме материала влияют в первую очередь равномерность распределения порообразоF вателя в исходной смеси, однородность температурного поля и реологических свойств во всем объеме материала. Неоднородность целесообразно оценивать средним квадратическим отклонением толщины перегородки в наиболее тонком сечении от среднего значения толщины всех перегородок. У пористых заполнителей

колеблется от 10 до 20 мкм.

Форма пор — параметр, характеризующий степень деформирования сферических пор в правильные многогранники. Повышение ячеистой пористости системы, снижение поверхностного натяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация структуры путем отверждения приводят к формированию пор многогранников. О степени дефорF мирования пор можно судить по объему ячеистой пористости: если значение Пз превышает 75F80 % – это четко указывает на переход

сферических пор в многогранники. Чем выше пористость, тем более правильной формы должны быть многогранники.

Замкнутость ячеистой структуры. Идеальной является структура с замкнутыми ячейками. Такая структура характерна для керамзита, шлакозита, гранулированного пеностекла. «Контактные дырки» и трещины в перегородках, возникающие изFза несоответствия скорости газообразования и темпа нарастания предельного напряжения сдвига и пластической вязкости массы являются трудно устранимыми деF фектами ячеистой структуры, получаемой способом газообразования.

150