Усадка глины при сушке

17.06.2018
Усадка при сушке (воздушная усадка) — это уменьшение размера (длины или объема) массы глины, имеющей определенную форму, при сушке в результате удаления поровой и адсорбированной воды. Измерения производятся на образцах, в которых содержание воды равно рабочему водосодержанию. Усадка часто выражается в процентах уменьшения размера, отнесенных к размеру образца после сушки. На практике измерения производятся на испытуемом образце после его сушки при 105°С в течение по крайней мере 5 час.

В табл. 3-6 приведены предельные значения линейной воздушной усадки для некоторых глинистых минералов. Величины для хлоритовых глинистых минералов сходны со значениями, характерными для иллита. Для аллофана данные отсутствуют, но его усадка должна быть изменчивой с максимальными значениями, по-видимому, в пределах значений, свойственных монтмориллониту.

В общем воздушная усадка связана прямой зависимостью с содержанием воды в рабочем тесте. Она возрастает при повышении содержания воды, а в глинах из одного и того же глинистого минерала усадка увеличивается при уменьшении размера частиц. Данные, приведенные в табл. 3-7, показывают возрастание усадки с уменьшением размера частиц каолинита. Величина воздушной усадки, вероятно, изменяется в зависимости от кристалличности глинистого минерала. Так, пластичная глина (боллклей), которая содержит относительно слабо упорядоченный каолинит, дает значения, приближающиеся к верхнему пределу табл. 3-6. Такие же колебания должны отмечаться у иллитовых и хлоритовых глин. По тем же причинам глины, состоящие из смешаннослойных сростков глинистых минералов, должны иметь относительно большую усадку, чем глины такого же состава, но представляющие собой смесь отдельных глинистых минералов.

Для глин из минералов с удлиненными и волокнистыми частицами характерна относительно большая воздушная усадка, что является результатом более свободной упаковки таких частиц в образце. Это подтверждается также большей усадкой галлуазита по сравнению с каолинитом. В случае галлуазита сильная усадка обусловлена спадом трубчатых частиц.

Природа адсорбированного катиона оказывает такое же влияние на степень усадки при сушке, как и на содержание воды в рабочем тесте. Так, Генри и Зиферт, а позже Гофман с соавторами показали, что для каолинитовых глин прогрессивное уменьшение усадки определяется такой последовательностью катионов: водород — кальций — калий — натрий. Такой же порядок должен наблюдаться и в других глинистых минералах, за исключением монтмориллонита. Монтмориллонитовые глины с ионом натрия обнаруживают наибольшую усадку именно потому, что для них характерны наиболее высокие содержания воды в тесте нормальной консистенции.

Присутствие неглинистых минералов уменьшает усадку, причем степень уменьшения зависит от формы частиц неглинистых минералов, их размера, распределения и количества. Наиболее эффективны в этом отношении разноразмерные изометричные зерна. Как правило, присутствие в керамическом теле некоторого количества (~25%) неглинистых минералов весьма желательно, поскольку это улучшает его поведение при усадке; такое количество неглинистого минерального компонента, вероятно, не оказывает отрицательного влияния на другие керамические свойства.

На фиг. 3-5 показана зависимость объемной воздушной усадки в иллитовых сланцах от процентного содержания фракции <2 мк (фракции А). Интересно отметить, что образец А на фиг. 3-5, который характеризуется необычайно большой усадкой, содержит, кроме иллита, немного монтмориллонита; последний и обусловливает высокое значение усадки.

По данным Уильямсона, участки глинистой массы, в которых отмечается различная предпочтительная ориентировка глинистых частиц, имеют различную воздушную усадку. Так, при параллельной ориентировке базальных плоскостей глинистых минералов усадка в направлении, перпендикулярном базальным плоскостям, будет гораздо больше, чем в направлении, параллельном им. Это вполне закономерно, поскольку чешуйчатость глинистых минералов обеспечивает гораздо большую поверхность для адсорбции воды на базальных плоскостях, чем на их краях. Этот вопрос очень важен, так как в процессе придания керамическому изделию определенной формы зачастую трудно избежать или контролировать развитие предпочтительной ориентировки. Уильямсон показал, что развитие преимущественной ориентировки может в дальнейшем очень сильно сказаться на качестве изделия. Например, заготовка, которая была случайно деформирована в пластическом состоянии и которой затем придали первоначальную форму, может «вспомнить» случайную, непреднамеренную деформацию и изменить форму при сушке. Уильямсон объясняет это явление следующим образом:

«Глинистые частицы разделены водой и стремятся занять такое положение по отношению к напряжениям, при котором потенциальная энергия была бы минимальной. Таким образом, они сходны с ионами или молекулами в кристаллической решетке. Частица, которая перемещается в новое устойчивое положение, должна преодолеть потенциальный барьер; такое перемещение сопровождает пластическую деформацию. Если, однако, на частицу действует сила, способная ее сместить, но недостаточная для преодоления этого барьера, частица стремится вернуться в свое первоначальное положение. Связанная с этим деформация — упругая. Явление «памяти» и основано на такой невозможности для некоторых частиц достигнуть новых устойчивых положений».

Как показал Нортон, механизм сушки очень прост. Зависимость объемной усадки при сушке от объема воды в глине во время сушки выражается кривой фиг. 3-6. Она показывает, что на начальных стадиях сушки объемная усадка почти равна объему теряемой воды.

После того как достигнуто определенное содержание влаги, дальнейшая усадка либо прекращается, либо очень сильно снижается по мере потери воды. Вода, которая теряется во время усадки, называется водой усадки; считается, что эта вода и разделяет частицы. В критической точке, в которой прекращается усадка, пленка жидкости вокруг частиц становится настолько тонкой, что частицы плотно соприкасаются друг с другом и дальнейшая усадка становится невозможной. Вода, которая теряется после усадки, называется поровой водой.

Нортон указывал, что «критическая точка не всегда четко выражена (как на фиг. 3-6), так же как нижний конец кривой усадки не всегда располагается вдоль оси. У разбухающих глин, например у бентонитов (монтмориллонитов), кривая располагается выше оси; последние количества воды теряются непосредственно перед высыханием, так как остатки воды здесь удерживаются прочнее между кристаллическими слоями, чем на поверхности частиц». Автор дает несколько иное объяснение. Вода, адсорбированная непосредственно на поверхности, удерживается весьма прочно, так что ома удаляется с большим трудом, чем поровая вода. В результате после испарения свободной поровой воды в глине может оставаться значительное количество адсорбированной воды. В монтмориллоните так много прочно удерживаемой воды, что наблюдаются значительные отклонения от кривой фиг. 3-6.

В ряде случаев на конечных стадиях сушки отмечается некоторое расширение. Неизвестно, характерно ли это только для определенного глинистого минерала; по-видимому, нет. Дать удовлетворительное объяснение этому явлению пока не представляется возможным. Генри и Зиферт предположили, что при удалении последней тонкой пленки воды сила, связывающая частицы, нарушается и глинистые чешуйки испытывают релаксацию, допускающую некоторое расширение.

По мнению Уильямсона, в некоторых глинах отмечается незначительная вторичная усадка после прекращения первичной усадки. Он отнес это за счет высыхания небольшого количества геля; гель, по-видимому, удерживает некоторое количество воды, на удаление которой требуется больше энергии.

Кёниг и Лионе привели данные, подтверждающие уменьшение усадки при сушке образцов предварительно обожженных каолинитовых глин. Это может объясняться тенденцией частиц при обжиге объединяться в агрегаты более крупных размеров, а также, возможно, изменениями в характере поверхности, которая стремится к уменьшению своей адсорбционной способности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: