книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

Второй случай – когда τg < τ.

В этом случае нужен двигатель более мощный, чем подобранныйпорасчету,илидолженбытьустановлендополнительный пусковой двигатель.

7.2.2.3. Массообменные процессы при смешивании

При смешивании систем с твердой фазой происходят массообменные процессы. Например, при получении керамических масс вода адсорбируется глинистыми материалами, что вызывает набуханиеглины.Приприготовлениибетоннойсмесипроисходит гидратация цемента, вода переходит в твердую фазу – клинкерные минералы, а из твердой фазы в жидкую переходит Са(ОН)2. Иногда какие-либо составные части смеси растворяются в жидкой фазе (бетон с добавками).

Исследование массообменных процессов при смешивании является очень трудной экспериментальной задачей. Обобщение результатов экспериментов здесь возможно только методом анализа размерностей.

Для вычисления коэффициента массоотдачи β можно получить критериальные уравнения типа

Sh = ARebScc,

где Sc – критерий Шмидта; Sc = μ/ρD; D – коэффициент диффузии; Sh – критерий Шервуда.

Sh = βDl .

Критерий Рейнольдса может быть подставлен либо в традиционном виде

Re = wlµρ ,

либо в виде

Re = nd 2ρ .

µ

Если же за определяющий размер принять диаметр элемента твердой фазы dт, то

61

Re = ndµdтρ.

7.2.2.4.Методы оценки качества смеси

Врезультате перемешивания происходит взаимное перемещение частиц относительно друг друга. В идеальном случае мы должныполучитьтакуюсмесь,влюбомэлементарномобъемекоторой смешанные компоненты находятся в том же соотношении,

вкотором они находились раздельно до смешивания. (Если взяты количества материалов а, b, с, то в любом микрообъеме их отношениядолжныбытьа:b:с).Однакотакоесоотношениевреальных условиях никогда не наблюдается, т.к. на взаимное перемещение частиц влияет много факторов. Поэтому в различных микрообъемах смеси соотношение компонентов будет бесконечно разнообразно и соотношение есть величина случайная, подчиняющаяся законам математической статистики. Методы оценки качества смеси основаны на методах статистического анализа.

Для оценки качества смеси такими методами среди компонентов выделяют некий ключевой компонент (цемент – в бетонной смеси, вода – в керамической массе, добавка – в любой смеси и т.д.). Остальные компоненты считают одним обобщающим компонентом и качество смеси определяют по содержанию в любом объеме смеси ключевого компонента – концентрации его в пробе.

Как случайная дискретная величина концентрация ключевого компонента Х в смеси может быть оценена, если известны законы ее распределения, математическое ожидание М, дисперсия D и среднее квадратическое отклонение S.

			n
	S =		∑ Xi −m 2	,
			i=1
			n −1

где Xi – значение концентрации в i-й пробе; m – среднее арифметическое значение концентрации n в пробах; n – число проб.

По величине S определяют коэффициент вариации (неоднородности) V:

62

					n
V =	S100	=	100		∑ Xi −m 2	(%).
					i=1
	m		m		n −1

Мера рассеяния, степень смешивания, стандартное отклонение, критерий однородности, коэффициент изменчивости, относительная дисперсия, интенсивность сегрегации, мера неупорядоченности – это все термины, встречающиеся в литературе для обозначения качества перемешивания.

В большинстве смесителей получают смеси с V = 20 %. Для достаточно точной оценки качества смеси необходимо некоторое минимальное количество проб, которое находят по формуле

n > t2EV22 ,

где t – распределение Стьюдента (находят по таблицам); Е – относительная погрешность определения.

Вотобранных пробах определяют содержание ключевого компонента различными методами. Это могут быть гранулометрические методы, химические, электрохимические, оптические, радиометрические.

Внастоящее время такая оценка качества различных смесей

втехнологии строительных материалов организована слабо. Это является причиной значительной части брака.

7.2.3.Формование

7.2.3.1.Теоретические основы формования

Формование – получение из любого материала, не имеющего формы, изделий заданной формы и структуры. Процессы формования различны в зависимости от исходного состояния формуемых масс. Это могут быть порошки, суспензии, пасты, крупнозернистые смеси, расплавы.

Формование этих масс подчиняется различным закономерностям.

Известны три способа формования: пластическое, мокрое и полусухое.

63

Пластическое формование применяют для производства изделийизсуспензий,пастирасплавов.Впромышленностистроительныхматериаловэтоформованиекерамическихизделий,изделийиз пластмасс. С помощью мокрого способа формуют бетонные смеси и древесно-клеевые композиции. Полусухим способом формуют порошки, сыпучие мелкозернистые смеси типа массы для силикатного кирпича. Однако керамические изделия могут быть сформованы всеми тремя способами в зависимости от влажности глины.

По способу организации формование может быть периодическим и непрерывным.

Характеристики формования определяются основными свойствами исходного материала – его формуемостью, т.е. способностью принимать и сохранять заданную форму при заданной структуре всего объема изделия.

Формуемость материалов зависит от способа формования, от параметров применяемой формовочной аппаратуры. Одним из наиболее важных свойств дисперсных систем, определяющих их формуемость, является величина поверхности раздела компонентов этих систем. Эта величина может быть охарактеризована с помощью удельной поверхности дисперсной фазы.

Чем выше удельная поверхность материала, тем большую роль играют в его свойставах поверхностные явления, локализующиесянаповерхностиразделафаз.Системысудельнойповерх- ностьюпорядка102–103м2/м3,ккоторымотноситсябольшинство вяжущих веществ, глин, полимерных пресс-порошков, обладают большим запасом свободной поверхностной энергии. Поэтому они являются термодинамически неустойчивыми. Они способны к самопроизвольной коагуляции – слипанию частиц в агрегаты. Систему считают агрегативно устойчивой, если она может долгое время существовать без заметного слипания частиц. Если же коагуляция происходит быстро, то система агрегативно неустойчива. Большинство формуемых масс в промышленности строительных материалов являются агрегативно неустойчивыми.

Б.  Дерягиным и Л.  Ландау разработана теория устойчивости дисперсных систем, в основе которой лежат представления о силах, возникающих между частицами любой природы при их сближении. Это силы межмолекулярного притяжения, вызы-

64

рис. 7.2. Дисперсная частица и двойной электрический слой

1 – поверхность раздела фаз;

2 – поверхность раздела слоев;

3 – внутренняя обкладка (потенциалообразующая); 4 – внешняя обкладка (диффузный слой); 5–поверхностьионнойатмосферы.

вающие коагуляцию, и силы отталкивания, препятствующие ей. Устойчивость системы зависит от степени равновесия этих сил.

Из этой теории следует, что формуемость паст улучшается, если они агрегативно устойчивы.

Агрегативная устойчивость системе может быть сообщена либо образованием двойного ионного слоя вокруг частиц, либо образованием вокруг них адсорбционно-сольватного слоя.

Все частицы твердой фазы заряжены относительно окружаю- щейихжидкости.Зарядвозникаетиз-заадсорбацииионоводного знака поверхностью частицы, из-за диссоциации молекул самой частицы. Заряд частицы уравновешивается зарядами противоположного знака в окружающей жидкости, и в целом система электрически нейтральна. Слой положительных и отрицательных зарядов вокруг частицы – двойной электрический слой (рис. 7.2).

Двойнойслойобла-даетопределеннымэле-ктрическимпотенци- алом, величина которого зависит от расстояния от поверхности частицы. На поверхности частицы существует термодинамический потенциал φ0.

На расстоянии, равном σ (толщина двойного слоя), потенциал стремится к нулю, т.к. его заряды фактически уравновешены зарядами противопо-

ложногознака.Потенциалнаповерхности раздела слоев называется ε-по- тенциалом. Во внутренней обкладке двойного слоя падение φ-потенциала идет по прямой. В диффузном слое зависимость φ-потенциала от расстоянияподчиняетсяуравнению

φ = φ0 е-nх,

где х – расстояние от поверхности

раздела фаз, n – величина, обратная толщине двойного слоя. Привзаимодействиидвухчастицмеждуихповерхностямидейс-

твуетсуммарныйпотенциал,характеризующийсяопределеннойэнергией. Эта энергия и ее распределение между частицами зависит от соотношенияэнергийпритяженияиотталкиваниямеждучастицами.

65

На графике рис. 7.3 кривая 1 соответствует преобладанию сил притяжения на всех расстояниях между частицами. Это агре-

	гативно неустойчивые сис-
	темы.	2 характеризует
	Кривая
	такое состояние системы, ког-
	да на некотором расстоянии
	между частицами преоблада-
	етотталкивание.Этоустойчи-
	вые системы. Они будут коа-
	гулироватьтолькотогда,когда
	будет преодолен энергетичес-
Рис. 7.3. Зависимость φ-потенциала	кийбарьеротталкивания.
от расстояния между частицами	Кривая	3 соответству-
	ет такому	взаимодействию

между частицами, когда при увеличении расстояния между ними сверх некоторого предела начинает преобладать притяжение. Это структурированные системы.

	К образованию структури-
	рованных систем приводит из-
	менение концентрации ионов в
	формуемоймассеилиувеличе-
	ние концентрации дисперсной
	фазывустойчивойсистеме.	Рис. 7.4.
	Введение ПАВ приводит
		Силы, действующие между частицами
	к образованию на поверхности

частиц системы адсорбционно-сольватного слоя. Этим также можно добитьсясозданияструктурированнойсистемыиулучшенияформуемости.Однакоколичественнойтеориисольватациипоканет,поэтомустрогойоценкивзаимодействиячастицздесьдатьнельзя.

Формуемость различных дисперсных систем зависит от их реологических свойств.

Реология – наука о деформациях и текучести любой материальной системы под действием внешних сил. Реология связана с теорией пластичности, упругости, гидромеханикой, молекулярной физикой, химией.

66

Рис. 7.5. Течение структурированной системы (бингамовская жидкость)

Любая деформация связана со смещением частиц тела друг относительно друга. Между смещающимися частицами возникает напряжениесдвига.Длявыясненияреологическихсвойствдисперсной системы необходимо установить зависимость вязкости от напряжениясдвигаизависимостьскоростисдвигаотэтогонапряжения.

Для ньютоновской жидкости эта зависимость такова:

τ =µddwn ,

здесь вязкость постоянная при ламинарном течении, а градиент скорости пропорционален напряжению сдвига.

Структурированные дисперсные системы – неньютоновские жидкости.

Для них τ−τ0 =µn ddwn (уравнение Бингама).

Здесь τ0 – предел текучести, т.е. напряжение, необходимое для разрушения структуры и начала течения (рис. 7.5).

µn = dτw−/dτ0n = tgϕ.

Структурированные системы тиксотропны, т.е. обладают способностью обратимо восстанавливать разрушенную структуру.

К подобным системам относятся глиняные керамические массы,известковое,цементноеи гипсовоетесто.Потерминологии П.А.  Ребиндера такие системы называются коагуляционно-тик- сотропными.

Другой тип структурированных систем возникает при образовании между частицами дисперсной фазы кристаллизационных контактов. Так,

при твердении минеральных вяжущих после непродолжительного периода, когда система обладает тиксотропными свойствами, наступает период образования кристаллических продуктов гидратации, начинается срастание кристалликов новообразова-

67

ний. Возникающая в этот период структура при разрушении не восстанавливается. Поэтому для таких формуемых масс процесс формования должен полностью завершиться в тиксотропный период. П.А.  Ребиндер называет такие структуры конденсационнокристаллизационными.

Практически все формовочные массы представляют собой неньютоновские жидкости. Бетонная смесь, керамические массы, гипсовое тесто – тиксотронные жидкости. Известково-песчаные смесидляпроизводствасиликатногокирпичапроявляютсвойства бингамовской жидкости. Керамическая масса для пластического формования при определенной влажности и минералогическом составе глины может вести себя как максвелловская жидкость.

7.2.3.2. Способы формирования

Операция формования – совокупность механических и гидродинамических элементарных процессов.

Пластическое формование основано на двух основных положениях. Одно из них – уравнение Кулона:

τn = σ tgφ + с,

(7.18)

где τn – предельное сопротивление сдвигу; σ – нормальное сжимающее напряжение; tg φ – коэффициент внутреннего трения; с – сила сцепления – сопротивление сдвигу, не зависящее от нормального напряжения.

Второе положение – уравнение Бингама:

	τ = τ0	+µ	dw	,	(7.19)
			dn

где τ – общее напряжение сдвига при постоянной температуре

ивлажности массы; μ – вязкость, характеризующая внутреннее трение; dw/dn – градиент скорости.

До начала формования масса проявляет упругие обратимые свойства. После предела текучести проявляются одновременно

ипластическое необратимое, и упругое состояние. Если рассмотреть зависимость деформации Е такой массы от величины напряжения при возрастании последнего и при его снижении, то график этой зависимости образует петлю гистерезиса (рис. 7.6).

68

Рис. 7.7. Экструзия глины через мундштук пресса

При увеличении влажности формуемой массы коэффициент внутреннего трения значительно снижается. Однако для разных материалов зависимость коэффициента трения от влажностиразлична.

Таким образом, при расчете усилий (мощности аппарата) для пластического формования необходимо учитывать следующие обстоятельства:

Рис.7.6.Зависимостьдеформацииотнапряженияприпластическомформовании

1)затрачиваемая мощность тем больше, чем выше коэффициент внутреннего трения;

2)при снижении коэффициента внутреннего трения менее некоторой величины течение массы приближается к течению ньютоновской жидкости.

Все это может привести к несохранению формы изделия после снятия напряжения, что можно проиллюстрировать на примере производства глиняного кирпича методом пластического формования. При экструзии глины через мундштук пресса в случае низкого значения tgφ глина выходит в виде тела, имеющего форму торцевой поверхности, близкую к параболе (рис. 7.7).

При увеличении tgφ парабола выравнивается, но возрастает необходимая для формования мощность.

При пластическом формовании вследствие не-

равномерного движения массы возникают сдвиги, приводящие к появлению S-образных трещин. Это основной порок пластического формования.

69

Расчет давления, необходимого для достижения достаточного уплотнения пластической массы, должен учитывать и силы внутреннего трения, и силы трения массы о стенки формующего приспособления. В общем виде критериальное уравнение для экструзии в изотермических условиях можно записать так:

						Eu = AReaFrbГc,	(7.20)
где	∆P		N
Еu =		=			;
	ρw2		ρw2
Re =	wlρ	; Fr =		w2		;
	tgϕ				gl

Г – критерий геометрического подобия.

Виброформование применяют для получения изделий из бетонов различного состава.

Тиксотропные жидкости (бетонная смесь и смеси с другими вяжущими) проявляют способность к восстановлению структуры темлучше,чемвышедлянихкоэффициентвнутреннеготренияtgφ (илиструктурнаявязкостьмюстр).Чтобысохранитьихспособность быстровосстанавливатьнарушеннуюструктуру,ихнеобходимоиспользоватьснизкимсодержаниемводы.Аэтоприводитксильному увеличениюtgφ.Дляформованиятакихсмесейпластическимметодомнужныогромныедавления.Поэтомуформованиевэтомслучае производят с помощью вибрации (виброформование).

Этот метод основан на тиксотропном разжижении смеси. При тиксотропном разжижении смесь теряет внутреннее трение и переходит в состояние ньютоновской жидкости, т.е. ее поведение может быть описано уравнением

τ =µddwn .

Такая смесь ведет себя как жидкость с постоянной вязостью, т.е. принимает форму сосуда, в котором она находится. Поэтому виброформование позволяет получать изделия сложной формы.

Мощность, которую необходимо затратить для разрушения тиксотропной структуры, определяется величиной предельного

70