Сопротивление глин, применяемых в формовочных смесях сжатию во влажном состоянии

17.06.2018
На фиг. 4-2 приведен ряд кривых, показывающих колебания величины сопротивления сжатию влажных глин мантмориллонитовой группы. Ha фиг. 4-3 и 4-4 приведены кривые, отражающие зависимость сопротивления сжатию влажных смесей от содержания воды в образцах с различным количеством натриевого и кальциевого монтмориллонитов. На фиг. 4-5 — 4-7 приведены подобные кривые для галлуазитовых, иллитовых и каолинитовых глин. В сыром виде каолинитовая глина содержала немного кварца, который был удален отмучиванием перед проведением испытаний. Испытания галлуазитовой глины проводились на образце, в котором галлуазит находился в промежуточной стадии гидратации, что и обусловило его довольно высокую прочность.


He следует думать, что все глины одинакового минерального состава будут иметь те же характеристики, что и определенные для конкретных изученных образцов. Так, образцы, сложенные лучше окристаллизованными каолинитом и иллитом, видимо, будут обладать меньшей прочностью, чем образцы, сложенные теми же, но хуже окристаллизованными минералами. Однако приведенные данные в общих чертах характеризуют прочностные свойства различных глинистых материалов во влажном состоянии.

Кривые, характеризующие песчано-глинистые смеси с 4%-ным или меньшим содержанием какой-либо глины и отражающие зависимость между содержанием воды и сопротивлением сжатию влажных образцов, сравнительно полого наклонены. Если содержание глины составляет 4—15%, то максимальная прочность влажной смеси имеет место в узком интервале содержания влаги. Ширина этого интервала различна для разных глин. Так, самая высокая прочность для смесей с каолинитовыми или иллитовыми глинами наблюдается в довольно широком интервале влажности, для смесей с кальциевым монтмориллонитом и галлуазитовыми глинами — в узком интервале, а для смесей с натриевым монтмориллонитом — в интервале влажности, промежуточном между первыми двумя интервалами.



На фиг. 4-8 показаны максимальные значения сопротивления сжатию для влажных образцов при содержаниях различных глин 2—15%. Самые высокие значения прочности отмечаются в смесях с кальциевым монтмориллонитом при любых его содержаниях. Смеси, содержащие до 6% натриевого монтмориллонита и галлуазита, характеризуются примерно одинаковой прочностью, но при больших содержаниях глины образцы с монтмориллонитом обладают большей прочностью. Смеси с каолинитом и иллитом имеют примерно одинаковую прочность; прочность образцов с каолинитом лишь несколько выше при содержаниях глинистого компонента до 12%, а при больших содержаниях глины образцы с иллитом несколько прочнее, чем образцы с каолинитом.

Прочность смесей со связующей добавкой кальциевого монтмориллонита увеличивается соответственно содержанию глинистой составляющей до тех поp, пока оно не превышает 8%. Дальнейшее увеличение содержания глины до 10% обусловливает лишь незначительное увеличение прочности смеси, а добавка глины более 10% не дает никакого увеличения прочности смеси. В смесях, содержащих натриевый монтмориллонит и галлуазитовую глину, имеет место та же зависимость между максимальной величиной сопротивления сжатию во влажном состоянии и содержанием глины, за исключением того что при содержаниях глины выше 8% смеси с натриевым монтмориллонитом прочнее, чем смеси, связанные галлуазитовой глиной. Максимальная величина сопротивления сжатию влажных смесей, связанных каолинитом и иллитом, непрерывно возрастает по мере увеличения содержания глины до 15%, однако интенсивность увеличения прочности несколько снижается при содержаниях каолинита более 10% и при содержаниях иллита более 12%.

Судя по данным табл. 4-1, очевидно, что смеси, связанные любыми глинами, приобретают максимальную прочность при довольно определенных содержаниях глинистого компонента. При меньших или больших содержаниях связующего компонента прочность, отнесенная к единице веса глинистого компонента (удельная прочность), остается примерно на том же уровне или уменьшается. Оптимальное содержание глины, обусловливающее развитие наибольшей прочности во влажном состоянии, в случае натриевого монтмориллонита составляет 7—9%, в случае кальциевого монтмориллонита и галлуазита — 6—8% и в случае каолинита и иллита — 9—12%. Следовательно, влажные смеси с низкими содержаниями глины довольно резко различаются по величине максимального сопротивления сжатию. При больших содержаниях глины это различие в прочности смесей гораздо меньше.


На фиг. 4-9 даны кривые, показывающие изменение величины сопротивления сжатию влажных смесей при минимальном объемном весе в зависимости от содержания глины в пределах 2—15%. Среди смесей, содержащих менее 6,5% глины, наибольшей прочностью обладают смеси с кальциевым монтмориллонитом; среди смесей, содержащих 6,5—12% глины, наибольшей прочностью обладают глины с галлуазитом, а при содержании глины 12—15% наиболее прочны смеси, связанные кальциевым монтмориллонитом. Смеси с натриевым монтмориллонитом имеют меньшую прочность, чем смеси с кальциевым монтмориллонитом, при любых содержаниях глины вплоть до 15%.

Смеои с иллитовой глиной слабее смесей, связанных как монтмориллонитовыми, так и галлуазитовыми глинами, при любых содержаниях глины, за исключением самых высоких содержаний, когда прочности любых смесей примерно одинаковы.

Смеси с каолинитовой глиной имеют меньшую прочность, чем смеси, связанные какой-либо другой глиной. Это обусловлено тем, что смесь, если она связана большим количеством каолинитовой глины, приобретает минимальный объемный вес при очень большой влажности; в результате этого прочность ее низкая.

Выполаживание кривой, характеризующей формовочные смеси с примесью более 10% каолинита, указывает на то, что при добавке глины сверх этого количества в смесях с минимальными объемными весами нет увеличения прочности.

В противоположность смесям с каолинитовой глиной смеси, содержащие большие количества иллитовой глины, имеют минимальные объемные веса при довольно низкой влажности. Вследствие этого формовочные смеси с большим содержанием иллитовой глины при минимальном объемном весе характеризуются высокой прочностью, такой же высокой, как и смеси, связанные монтмориллонитовыми и галлуазитовыми глинами.

В смесях, связанных галлуазитовой глиной, увеличение прочности при минимальном объемном весе пропорционально увеличению содержания глины примерно до 8%. При дальнейшем увеличении содержания глины прочность смесей слабо растет.

Прочность смесей, связанных кальциевым и натриевым монтмориллонитом, возрастает пропорционально увеличению содержания глины примерно до 9%. В смесях с большим содержанием глины интенсивность возрастания прочности в случае кальциевого монтмориллонита уменьшается слабо, а в случае натриевого монтмориллонита — значительно.

На основании данных табл. 4-1 можно видеть, что связность смесей зависит от типа связующей глины. Величины удельной прочности приведены здесь при минимальном объемном весе для смесей, содержащих до 15% глины. Эти данные позволяют прийти к выводам, аналогичным тем, которые были сделаны при рассмотрении кривых, приведенных на фиг. 4-9.

Сравнение максимальных величин сопротивления сжатию влажных формовочных смесей и прочности при минимальных их объемных весах позволяет прийти к следующему заключению. Прочность смесей, связанных галлуазитовой глиной, при минимальном объемном весе лишь немного меньше максимальной прочности при тех же содержаниях глины, тогда как прочность смесей, связанных натриевым и кальциевым монтмориллонитом при минимальном объемном весе значительно меньше максимальной прочности. Это может служить объяснением тому, что минимальный объемный вес в формовочных смесях, связанных галлуазитовой глиной, достигается при несколько больших содержаниях воды, чем необходимо для развития максимальной прочности во влажном состоянии, и что в смесях, связанных кальциевым или натриевым монтмориллонитом, для достижения минимального объемного веса требуются значительно большие содержания воды, чем для достижения максимальной прочности во влажном состоянии. Вследствие этого смеси, связанные некоторым количеством галлуазитовой глины, имеют большую прочность при минимальном объемном весе, чем смеси, связанные монтмориллонитовыми глинами.

Аналогичным образом в смесях, связанных иллитовой глиной, минимальный объемный вес достигается при содержании влаги лишь немного больше, чем необходимо для развития максимальной прочности во влажном состоянии, поэтому и прочность при минимальном объемном весе формовочных смесей лишь немного меньше максимальной прочности. Это особенно характерно для смесей с высокими содержаниями этой глины, и отсюда понятно, почему смеси, связанные иллитовой глиной, имеют примерно ту же прочность при минимальном объемном весе, что и смеси с высоким содержанием монтмориллонитовых или галлуазитовых глин.

Гофман показал, что обработка кальциево-монтмориллонитовых глин натрием вызывает лишь небольшое изменение их прочности во влажном состоянии, либо уменьшая, либо повышая ее. Природные кальциевые монтмориллониты во влажном состоянии прочнее натриевых бентонитов, так что вряд ли такая обработка может привести к какому-либо увеличению прочности. Однако иногда прочность глины увеличивается, что можно объяснить диспергирующим воздействием катиона натрия, при котором происходит диспергация монтмориллонитовых частиц, в результате чего увеличивается удельная поверхность глины, что повышает и ее связующую способность. В некоторых случаях такое увеличение связующей способности может влиять сильнее, чем вызываемое натрием увеличение содержания воды, которое должно было бы снижать прочность влажной смеси. Гофман показал, что обработка глины калием ведет к понижению прочности во влажном состоянии. Считают, что такое уменьшение обусловлено тем, что калий понижает способность глин к диспергации. Влияние других катионов на прочность влажных монтмориллонитовых и других глин не изучено. Можно полагать, что обработка натрием и литием вызывает диспергацию и увеличение сопротивления сжатию влажных каолинитовых и иллитовых глин. Щелочноземельные катионы и калий, по-видимому, вызывают уменьшение их прочности во влажном состоянии.

Для влажных монтмориллонитовых глин максимальное сопротивление сжатию достигается при значительно меньшем содержании воды, чем необходимо для достижения нижнего предела пластичности, особенно в смесях с высоким содержанием глины. Содержание воды, при котором развивается максимальное сопротивление сжатию влажных смесей, связанных галлуазитовыми и каолинитовыми глинами, несколько больше необходимого для достижения нижнего предела пластичности в смесях с низким содержанием глины (4%) и примерно одинаково или несколько меньше этого количества в смесях с высоким содержанием глины (более 15%) (табл. 4-2).