Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
22.17 Mб
Скачать

Свободная вода (или гравитационная, по А. Ф. Лебедеву) находится исключительно под действием сил гравитации в некапиллярных по размеру макропорах. В замкнутых макропорах свободная вода может задерживаться, и поэтому ее иногда называют сво­ бодной иммобилизованной.

Сопоставление форм связи жидкости, классифицируемых по реологическому и энер­ гетическому подходу, показывает следующее. Показатель объемной доли химически связанной жидкости IVхопределяется конституционной, или кристаллизационно-свя­ занной водой, а также водой адсорбционного мономолекулярного слоя. Эти категории воды не удаляются при обычной сушке и методически определяются на основе дан­ ных потерь массы при прокаливании [4.2]. Кинетически связанная жидкость Сп.коп­ ределяется всеми категориями связанной по энергетической классификации и частич­ но свободной иммобилизованной жидкости. Кинетически свободная жидкость Ст по реологической классификации [4.2] соответствует свободной воде (за исключением иммобилизованной) по классификации [4.36].

Исходя из рассмотренных общих представлений, на рис. 4.11 показана схема строе­ ния связанной воды в глинах [4.39].

С некоторыми коррективами по данной схеме могут быть проанализированы фазо­ вые взаимодействия и в случае дисперсной фазы на основе других оксидных матери­ алов. Как следует из схемы (см. рис. 4.11), ближайшие к поверхности глины слои воды образованы ее молекулами, непосредственно гидратирующими активные центры по­ верхности. Молекулы воды прочно удерживаются твердыми частицами за счет коор­ динационных, электростатических и водородных связей, что сопровождается увели­ чением вязкости и ростом предельного напряжения сдвига граничных пленок. Даль­ ше от поверхности частицы глины располагаются гидратные слои, образующиеся за счет диполь-дипольного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Эти ориентирован­ ные молекулы воды менее связаны с поверхностью частицы, однако имеют повышен­ ную вязкость и пластическое сопротивление сдвигу. При определенных воздействиях

Двойной электрический слой

Адсобционный

слой

Вода связанная

Вода переходного типа

Вода

(адсобционная)

(осмотическая)

свободная

Рис. 4.11. Схема строения связанной воды в глинах

на систему (например, повышение температуры или приложение определенной ско­ рости ее деформирования) слабые связи диполь-диполь нарушаются, и молекулы воды переходят в более удаленные от поверхности слои. Слои осмотической воды являют­ ся переходными от структурного гидратного слоя к свободной (объемной) воде. Свой­ ства этой воды приближаются к свойствам свободной; в последней отсутствует на­ правленная ориентировка молекул воды.

С точки зрения коллоидной химии основной интерес представляют формы молеку­ лярно-связанной воды. При этом выделяют адсорбционно-(прочно)связанную воду, воду граничных слоев и осмотически-связанную воду. Поверхность частиц твердой фазы обеспечивает адсорбционным слоям структуру, зависящую от топографии и при­ роды активных центров и оказывающую тем самым разупорядочивающее действие на связываемую воду. Для слоистых силикатов (глин) и кремнезема плотность адсор­ бированной воды выше, чем обычной, что обусловлено высокой энергией связи при относительно небольшом разупорядочивающем влиянии подложки (поверхности твер­ дой фазы). Прочно связанная со слоистыми силикатами вода энергетически неодно­ родна, что объясняется наличием как минимум пяти типов активных центров на их поверхности, с которыми взаимодействуют молекулы воды [4.38]: обменные катио­ ны, гидроксильные группы кислого (ЗЮН) и основного (АЮН, М^ОН) характера, координационно-ненасыщенные катионы А13+, Ре3+, М§2+, поверхностные атомы кис­ лорода. Одно из различий между свободной и связанной водой состоит в том, что доля молекул воды с разорванными водородными связями в граничных слоях воды выше, чем в объемной воде [4.35].

Существование граничных слоев воды толщиной 7-10 нм вблизи гидрофильной твердой поверхности частиц твердой фазы приводит к появлению структурной со­ ставляющей расклинивающего давления. Согласно трехслойной модели строения гидратной оболочки [4.49], граничный слой воды толщиной 8-10 нм состоит из двух час­ тей: более прочно связанного адсорбционного и анизотропно-доменного слоев. Счи­ тается, что толщина внутренней части граничного слоя составляет 1 нм, что совпада­ ет с толщиной адсорбционно-связанного слоя воды в трехслойной модели. Внешняя часть граничного слоя является как бы связующим элементом между резко различаю­ щимися структурами адсорбционно- и осмотически-связанной воды.

Отметим также, что формирование слоев связанной воды вблизи поверхности час­ тиц в существенной степени определяет реологические и технологические свойства как вяжущего в бетоне, так и бетонных смесей.

С привлечением обобщенной теории ДЛФО классификация молекулярно связан­ ной воды на адсорбционно-(прочно)связанную воду, воду граничных слоев и осмоти­ чески-связанную воду теоретически обоснована. Первые две категории воды в теории ДЛФО рассматриваются как внутренняя, более прочно связанная с гидрофильной по­ верхностью, и внешняя часть граничного слоя, обладающего измененной по сравне­ нию с объемной водой структурой. Формирование же слоя осмотически-связанной воды регулируется ионно-элекгростатической составляющей расклинивающего дав­ ления [4.35].

Важнейшим фактором, обусловливающим баланс связанной и свободной жидкости в высококонцентрированных суспензиях, является степень их разжижения (дефлоку­ ляции). В этой связи в технологии новых огнеупорных бетонов данному вопросу уде­

ляется первостепенное внимание. При этом регулирование степени разжижения и ста­ билизации достигается различными методами, которые применительно к ВКВС рас­ смотрены в гл. 6. Применительно к материалам кислотно-амфотерного и амфотерного составов важнейшим является коллоидно-химический принцип разжижения и стаби­ лизации (введение электролитов). Посредством стабилизации и коагуляции суспен­ зий можно регулировать их реологические (а соответственно, и технологические) свой­ ства в нужных направлениях. В большинстве случаев требуется высокая степень ста­ билизации систем, что позволяет получить на их основе полуфабрикат или вяжущее максимальной плотности, прочности с незначительной усадкой при формовании (структурообразовании).

Для оценки степени разжижения и стабилизации суспензий характерным и удоб­ ным показателем является плотность или пористость полученных на их основе отли­ вок. Показатели ротл или Яотл являются специфическими признаками, характеризую­ щими различие между агрегативно устойчивыми и коагулированными (неустойчивы­ ми) суспензиями. Структурообразование массы из агрегативно неустойчивых систем происходит быстро вследствие недостаточной плотности упаковки, так как частицы сохраняют то случайное (рыхлоупакованное) взаиморасположение, в котором они ока­ зались при соприкосновении. Набор же массы из агрегативно устойчивых суспензий происходит медленно вследствие лучшей упаковки осевших частиц. В этом случае частицы, скользя друг по другу, занимают положение, характеризующееся максималь­ ной плотностью укладки [4.2].

Исключительное влияние коллоидно-химического фактора в технологии неформо­ ванных огнеупоров можно проиллюстрировать данными, приведенными на рис. 4.12*.

* По неопубликованным данным исследований, проведенных совместно с П. В. Дякиным и С. В. Вихманом.

 

КчЧЧЧчччЧ| •

18

[КИЛЯМ?

12

5

Рис. 4.12. Влияние типа разжижающей добавки (0,05 % по сухому) на показатели условной вязкос­ ти °Е ВКВС боксита (а), пористости отливки на ее основе Яотл (6), предела прочности при изгибе он)г отливок, термообработанных при 1000 и 1300 °С (в): 1— исходная ВКВС боксита после длительного ста­ рения; 2 — жидкое (растворимое) стекло; 3, 4 — комплексные разжижители, содержащие отходы ре­ зорциновых смол; 5 — суперпластификатор С-3

Пример относится к вяжущим (матричным) системам на основе ВКВС боксита [4.1, 4.31]. Суспензии после их мокрого помола и стабилизации перемешиванием относи­ тельно короткое время (20-50 ч) обладают требуемыми реологическими свойствами. Однако, после длительного их старения (что случается в производстве по различным причинам) их вязкость резко возрастает, и потому непосредственно перед их приме­ нением требуется дополнительное разжижение. С учетом того, что практически все эффективные разжижающие добавки содержат легкоплавкие щелочи (жидкое стекло, пирофосфат натрия и др.), которые понижают термомеханические свойства, содержа­ ние их должно быть минимальным.

На рис. 4.12 приведены данные по эффективности небольших (0,05 % по сухому) добавок разжижителей. После введения последних в ВКВС боксита, характеризую­ щиеся высокой вязкостью и тиксотропией вследствие предшествующего длительного старения, осуществлялось 10-минутное перемешивание, после этого формовались отливки для изучения свойств.

Из рис. 4.12, а следует, что показатели условной вязкости (в градусах Энглера, °Е) для добавок 3, 4 в 5-6 раз ниже исходной вязкости (54-55 °Е). Вследствие резкого изменения реологических свойств (понижение эффективной вязкости в области низких значений скорости сдвига в 50-100 раз) для отливок с оптимальными добавка­ ми существенно (примерно в 1,5 раза) уменьшается пористость отливки. Вследствие этого отмечается и существенный (примерно в 2 раза) рост показателей механической прочности материала после термообработки как при 1000, так и 1300 °С (рис. 4.12, в). Из рис. 4.12 следует, что более эффективными являются комплексные разжижающие добавки, содержащие отходы резорциновых смол (3,4). Из приведенных данных сле­ дует также, что исключительно эффективный для строительных бетонов суперплас­ тификатор С-3 [4.50] хотя и понижает вязкость ВКВС, но по другим показателям (Лотл, ст^) неэффективен.

С учетом того, что реологические и технологические свойства бетонных формовоч­ ных систем определяются таковыми для вяжущей (матричной) системы, то эффекты, аналогичные показанным на рис. 4.12, присущи и для керамобетонных смесей. Один из факторов, учитываемых при выборе разжижителя, является содержание в нем ще­ лочных компонентов. В добавках 3,4 содержание последних примерно в 2 раза мень­ ше, чем в жидком стекле.

4.5. Электрокинетические свойства и прочность вяжущих

Вяжущие свойства глин и ВКВС существенно зависят от их ионно-элекгростати- ческих сил, возникающих за счет электростатического притяжения заряженных час­ тиц. На уровне суспензий соответствующих материалов эти силы характеризуются элекгрокинетическим потенциалом В процессе структурообразования (например, при сушке) за счет сближения частиц происходит изменение знака ионно-элеюроста- тического взаимодействия. Из сил отталкивания, обеспечивающих стабилизацию ча­ стиц в суспензии, они переходят в силы притяжения, способствующие усилению струк­ турных связей между частицами [4.37]. Влияние ионно-электростатических сил осо­ бенно заметно при сближении частиц (в процессе уплотнения или сушки) на расстоя­ ние до 2-3 нм и менее. При этом эти силы начинают преобладать над силами молеку-

Рис. 4.13. Зависимость предела прочности при растяжении а р воздушно-сухих образцов от электрокинетического потенциала мине­ ралов С;. 1 — кварц; 2 — каолинит; 3 — пи­ рофиллит; 4 — биотит; 5 — гидрослюда; 6

— монтмориллонит

лярного взаимодействия. Этим, в частности, объясняется повышение прочности глин

иотливок из ВКВС в процессе сушки [4.2].

Сцелью изучения влияния ионно-электростатических сил была изучена [4.37] проч­ ность образцов глин, сформованных из сухих порошков: и паст, а затем доведенных (высушенных) до одинаковой влажности. Прочность образцов, сформованных из пред­ варительно высушенных порошков, определяется силами молекулярной и частично химической природы (при больших нагрузках уплотнения), прочность образцов, сфор­ мованных из паст, — еще и ионно-электростатическими силами.

Установлено, что прочность образцов равной пористости (40 %) из мономинеральных монодисперсных (фракция 1-2 мкм) глинистых паст, высушенных до воздушно-

Рис. 4.14. Зависимость а р воздушно-сухих образцов монтмориллонита (а) и гидрослюды (б) от их пористости: о — образцы, сформованные из пасты; х — то же, из сухих порошков; Ыа, К, Са — моноионные формы минералов

а,,,, НУмм:

Рис. 4.15. Зависимость предела прочности при изгибе а н1г

 

высушенных отливок на основе ВКВС кварцевого песка

 

(/) и муллитокорундового шамота (2) от электрокинети-

 

ческого потенциала твердой фазы ВКВС С,

сухого состояния, находится в прямой зависимости от их элекгрокинетического по­ тенциала (рис. 4.13).

Показано также, что на прочность образцов, сформованных из разных катионных форм одного и того же минерала, существенно влияет природа катиона (его валент­ ность, ионный радиус, способность к избирательной адсорбции). Влияние указанных факторов, а также пористости образцов следует из рис. 4.14.

Характерно, что прочность аналогичных образцов, полученных прессованием воз­ душно-сухих глинистых порошков, практически не зависит ни от элекгрокинетического потенциала, ни от состава обменных катионов. Это объясняется тем, что исход­ ные порошки электронейтральны и не способны образовывать ионно-электростати­ ческие связи при формовании (сближении). Сопоставляя прочность образцов, полу­ ченных на основе паст и порошков, можно ориентировочно оценить вклад ионно­ электростатической составляющей в прочность глин. Так, как следует из кривых рис. 4.14, а, а р при пористости образцов из паст 38 и 46 % в 2-2,5 и 4-10 раз выше, чем у соответствующих образцов из порошков. Применительно к вяжущим на основе ВКВС взаимосвязь прочности отливок с показателями электрокинетического потенциала ВКВС для их получения следует из рис. 4.15, построенного по табличным данным работы [4.6].

Существенный рост ^-потенциала в щелочной области рН у ВКВС плавленого кварца также сопровождается существенным ростом прочности [4.2].

4.6. Некоторые общие положения реологии дисперсных систем

Предмет, задачи и аксиомы реологии. Задачей реологии, с одной стороны, являет­ ся изучение и математическое описание зависимости между напряжением и деформа­ цией или скоростью деформации, чем занимается макрореология, а с другой — иссле­ дование зависимости между структурными и механическими свойствами систем, чем занимаетсямикрореология [4.1,4.4]. Если предварительно известна зависимость между напряжением и деформацией, то можно предсказать механическое поведение веще­ ства под действием нагружения, что весьма существенно, например, при анализе служ­ бы огнеупоров. Не менее важно знать характер деформации разных материалов и дис­ персных систем, которым в технологическом процессе придают заданную форму, на­

пример, при формовании керамических изделий. Реологические свойства приходится изучать и учитывать и в различных технологических процессах (смешение, диспергация, мокрое измельчение, формование).

Реологическое поведение материала определяется некоторым соотношением, содер­ жащим напряжение, деформацию и их производные по времени. Это соотношение называется реологическим уравнением материала. Параметры, входящие в реологи­ ческое уравнение в виде постоянных, коэффициентов, модулей, характеризуют мате­ риал, в то время как напряжение и деформация представляют собой реологические переменные [4.1, 4.4, 4.11 ].

В реологии рассматриваются три аксиомы [4.1,4.4]. Согласно первой аксиоме, под действием всестороннего равномерного давления все материалы ведут себя одинако­ во — как идеально упругие тела. В соответствии с этой аксиомой, всестороннее рав­ номерное давление будет оказывать одинаковое действие на упругое тело, пластичное тело и жидкость. Под влиянием всестороннего равномерного давления (называемого также гидростатическим, или изотропным) плотность материала (например, в форме шара) будет увеличиваться без искажения или изменения формы. При этом изменение размеров (диаметра шара) произойдет за счет упругой деформации, т.е. при снятии давления размеры и плотность тел примут исходные значения. Разительные различия реологических свойств указанных материалов проявляются только при деформации, изменяющей форму тела, — деформации формоизменения.

Согласно второй аксиоме, каждый материал обладает всеми реологическими свой­ ствами, хотя и в различной степени. К основным реологическим свойствам относятся упругость, пластичность, вязкость и прочность.

У одного и того же материала в зависимости от его состояния, условий и продолжи­ тельности нагружения, температуры могут проявляться в большей или меньшей мере различные реологические свойства.

Согласно третьей аксиоме, существует иерархия идеальных тел в соответствии с различным реологическим поведением реальных материалов. При этом реологичес­ кое уравнение более простого тела (низшего по иерархии) может быть получено из реологического уравнения менее простого тела (высшего по иерархии), если принять какие-либо константы последнего равными нулю.

Напряжение, напряженное состояние и основные виды деформации. Во всех реальных телах под действием внешних сил происходит изменение их формы и раз­ меров (деформация). Величина и характер деформации зависят от свойств материала, его формы и способа приложения внешних сил. Деформация тела сопровождается возникновением внутренних сил взаимодействия между частичками тела. Мерой ин­ тенсивности внутренних сил является напряжение. Напряжение — сила, отнесенная к элементу площади, которая при разложении на две составляющие — нормальную (растягивающую, сжимающую силу) и касательную дает два вида напряжений — нор­ мальные и касательные.

Подавляющее большинство дисперсных систем в процессе технологической обра­ ботки или эксплуатации подвергается воздействию внешних нагрузок, вызывающих деформацию. Последние, в свою очередь, приводят к возникновению в материале упругих напряжений (напряженного состояния). Согласно одному из главных поло­ жений реологии, деформационные свойства всех материалов могут быть отнесены к

одному из следующих основных типов деформации или сочетанию этих типов: упру­ гости, вязкому течению, пластичности.

Для реальных материалов, в частности дисперсных систем, деформационные свой­ ства часто являются сложными сочетаниями указанных видов деформации. Даже при малых деформациях соотношение между упругим, вязким и пластическим компонен­ тами деформации не сохраняется постоянным, и в материале происходит развиваю­ щийся во времени процесс релаксации (рассасывания) напряжения. Этот процесс оп­ ределяется снижением и выравниванием внутренних напряжений вследствие посте­ пенного перехода упругой части деформации в пластическую.

Под деформацией понимают относительное смещение частиц, при котором не нару­ шается непрерывность самого тела под действием внешних сил. Существуют различ­ ные виды деформации. Так, действие сил на упругое тело вызывает в нем упругую деформацию, в пластичном теле — пластическую деформацию, в жидкости — тече­ ние. Термин “деформация” является более общим, включающим все три указанных случая. Различают, таким образом, упругие деформации (исчезающие после снятия нагрузки) и остаточные, необратимые (остающиеся после снятия нагрузки). Остаточ­ ные деформации, не сопровождающиеся разрушением материала, называются плас­ тическими, а сами материалы — пластичными.

Способность деформироваться под действием внешних сил является основным свой­ ством всех реальных тел. При рассмотрении упругой деформации, пластической де­ формации и течения жидкости, которые не сопровождаются изменением объема, в реологии принят термин “деформация формоизменения”.

Упругая деформация. Рассмотрим упругую призму, находящуюся под воздействи­ ем сдвигающей или тангенциальной силы Р1(рис. 4.16).

Эта сила вызывает перемещение верхней грани призмы по отношению к нижней на величину Ц, называемую сдвигом, или смещением. Смещение при прочих равных условиях будет тем больше, чем больше сила и высота призмы Я, и тем меньше, чем больше площадь поверхности грани Р. Следовательно,

11~(Р/Г)Н.

(4.1)

Вводя коэффициент модуля сдвига а, можно записать:

 

в = 11/Н= Р/Ро.

(4.2)

где отношение 11/Нпредставляет собой меру сдвига; оно равно

а, а — угол, кото­

рый показывает смещение между нижним основанием и боковой гранью призмы. Отношение называется углом сдвига или градиентом смещения. Выражение

Н

Рис. 4.16. Простой сдвиг призмы

называется сдвигающим, или касательным напряжением; равенство (4.3) можно запи­ сать в виде

Р = о*в.

(4.4)

Если принять ст постоянной величиной, то равенство (4.4) представляет собой одну из форм закона Гука (пропорциональность касательного напряжения деформации сдвига).

Кважным реологическим свойствам, рассматриваемым применительно к керамике

иогнеупорам, относится механическая прочность. Прочность — способность мате­ риала сопротивляться внешним механическим воздействиям оценивается обычно пре­ делом прочности а. Последний показывает условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, отнесенной к начальной площади поперечного сечения образ­ ца. Различают предел прочности при сжатии, изгибе и растяжении.

Пластическая деформация. Допустим, что призма, показанная на рис. 4.16, вы­ полнена из пластичного материала (например, из керамической массы). При приложе­ нии весьма малых напряжений поведение этой призмы будет несущественно отли­ чаться от поведения упругой призмы. В этом случае она тоже будет деформироваться упруго, хотя при одних и тех же напряжениях будет деформироваться больше. У пла­ стичного материала касательное напряжение Р не может возрастать до такой же вели­ чины, как у упругого материала, и когда Р достигает некоторого предела, называемого пределом текучести Рр то напряжение при любой величине смещения будет оставать­ ся примерно постоянным: Р = Рк.

Вязкое течение. Для осуществления медленной деформации (течения) жидкости не требуется существенного усилия. Рассмотрим течение вязкой жидкости между двумя пластинами, одна из которых неподвижная, а другая подвижная (рис. 4.17).

Пусть и представляет собой перемещение в единицу времени, или скорость пере­ мещения V. Тогда по аналогии с соотношением (4.2) получим:

6 = гУЯ= Р/У\р

(4.5)

где Г| — коэффициент вязкости; ъ/Я — градиент скорости сдвига, при постоянном значении Я равный

Тогда аналогично равенству (4.4) получаем:

(4.6)

Рис. 4.17. Схема течения жидкости между неподвижной (7) и подвижной (2) пласти­ нами

Если вязкость Г| постоянна, то равенство (4.6) представляет собой закон пропорцио­ нальности напряжения градиенту скорости, сформулированный Ньютоном. Жидко­ сти, подчиняющиеся этому закону, принято называть ньютоновскими жидкостями.

Как следует из рис. 4.17, в жидкости, находящейся между подвижной и неподвиж­ ной пластинами, имеется градиент скорости. Скорость движения жидкости постепен­ но уменьшается от (у подвижной пластины) до г>0 (у неподвижной).

Сравнение пластического и вязкого течения показывает, что последнее происходит под действием любых сил, как бы малы они ни были, а пластическое возникает, если напряжение сдвига окажется выше некоторой величины, называемой пределом теку­ чести Рк.

В структурированных дисперсных системах оба типа течения могут проявляться одновременно.

Неньютоновские жидкости, реологические кривые. Существует большой класс жидкостей, у которых величина скорости сдвига (в) изменяется непропорционально величине напряжения сдвига Р. К таким жидкостям относятся практически все высо­ коконцентрированные керамические суспензии. Вязкостные свойства таких жидко­ стей нельзя охарактеризовать постоянной величиной Т|. Можно по аналогии с ньюто­ новскими жидкостями считать, что вязкость для них по-прежнему определяется урав­ нением (4.6). При этом коэффициент вязкости утрачивает значение константы и сам, в свою очередь, зависит от скорости (или напряжения) сдвига. В этом случае его приня­ то называть эффективной, или кажущейся вязкостью. Жидкости, вязкость которых зависит от режима течения, принято называть неньютоновскими, или аномально-вяз­ кими, а само явление — аномалией вязкости.

Принадлежность дисперсной системы к классу ньютоновских или неньютоновских жидкостей или к какому-то определенному классу последних определяется посред­ ством реологического анализа. Наиболее важной реологической характеристикой при этом является кривая зависимости в (Р), называемая кривой течения, реограммой (рис. 4.18).

Адекватная характеристика дисперсных систем представляется также зависимостя-

МИЦ^(Р) и т^(ё).

Взаимосвязь между величинами ё, т), Р устанавливается из соотношений:

Рис/4.18. Общий вид реологических кривых — зависимость скорости сдвига в от напряжения сдви­ га Р (а), вязкости п от.Р (б), напряжения сдвига Рот г (в) для ньютоновской жидкости (1) и неньюто­ новских жидкостей: тиксотропной (2), дилатантной (5), тиксотропно-дилатантной (4)