Сопротивление глин, применяемых в формовочных смесях сжатию в сухом состоянии

На фиг. 4-15—4-19 приведены кривые, показывающие зависимость сопротивления сжатию сухих смесей от содержания влаги для смесей с различными количествами глины.

На кривых для сухих смесей, в которых связующим является натриевый монтмориллонит, видно очень высокое сопротивление сжатию, сильно меняющееся при небольших колебаниях содержания воды. Так, например, изменение содержания воды на величину менее 0,1% может вызвать изменение величины сопротивления сжатию более чем на 10 фунт/кв. дюйм. Эти кривые указывают на то, что в смесях, содержащих не менее 4% глины, при соответствующем содержании воды достигается сопротивление сжатию более 100 фунт/кв. дюйм. На основании данных, полученных для других глин, можно предположить, что максимальное сопротивление сжатию в высушенном состоянии возрастает с увеличением содержания глины.

Кривые фиг. 4-15 ясно показывают, что для получения хоть какой-нибудь прочности в высушенном состоянии необходимо некоторое содержание влаги, причем оно возрастает по мере увеличения количества глины. Согласно расчетам, количество воды здесь немного больше необходимого для образования слоя воды на каждую элементарную ячейку монтмориллонита толщиной в две молекулы. Истинные величины сопротивления сжатию в высушенном состоянии, если они ниже 10 фунт/кв. дюйм, нельзя определить, поэтому для достижения измеримой прочности в высушенном состоянии необходимо, чтобы смеси содержали несколько больше влаги. Так как слой воды толщиной в три молекулы имеет, вероятно, кристаллическую структуру, а более толстые слои рыхлее, то можно предположить, что количество воды, необходимое для развития в смесях хоть какой-нибудь прочности в высушенном состоянии, примерно равно тому, которое будет сохранять кристаллическое строение, и что незначительное увеличение содержания воды приведет к весьма интенсивному возрастанию прочности в высушенном состоянии.

Судя по кривым фиг. 4-16, для развития хоть какой-нибудь прочности в смесях, связанных кальциевым монтмориллонитом, необходимо минимальное количество воды. С увеличением содержания воды выше этого минимального количества прочность смеси в высушенном состоянии возрастает до некоторой максимальной величины. Примечательно для смесей, связанных этой глиной, что максимальное сопротивление сжатию в высушенном состоянии примерно одинаково для смесей, содержащих 6, 10, 12 и 15% глины. Максимальная прочность для смесей, содержащих 8% глины, несколько больше, однако это различие, видимо, лежит в пределах экспериментальной ошибки. Таким образом, независимо от количества глины в смеси .невозможно получить смеси, прочность которых в высушенном состоянии превышала бы некоторую определенную величину. Если увеличить содержание глины в смесях, то для достижения той же самой максимальной прочности необходимо повышать содержание воды.

Для достижения начальной прочности смесей в высушенном состоянии, связанных кальциевым монтмориллонитом, требуется несколько большее количество воды, чем необходимо для образования трехмолекулярного слоя воды на элементарную ячейку монтмориллонита. Предполагалось, что в монтмориллоните этого типа слой связанной воды имеет толщину более 4 молекул, а, следовательно, некоторая прочность в высушенном состоянии, по-видимому, развивается при меньших содержаниях воды, необходимых для образования этого четырехмолекулярного слоя. Пока в этом нет полной уверенности, однако, учитывая то, что не все поверхности элементарной ячейки пригодны для образования слоя воды, количество воды, присутствующей на соответствующих поверхностях ячейки, может быть больше расчетной величины. Максимальное сопротивление сжатию в высушенном состоянии смеси достигается тогда, когда воды достаточно для образования слоя толщиной более 5 молекул в пересчете на одну элементарную ячейку. По-видимому, это количество воды больше того, которое может быть связанным. В общем относительно высокая прочность смесей, связанных любой глиной, может получиться тогда, когда количество воды будет превышать то количество, которое связано между частицами глины, вследствие чего эти частицы смогут легко приспосабливаться одна к другой. Кроме того, можно полагать, что только некоторое определенное количество воды будет способствовать наилучшему приспособлению чешуек, так что не всякая дополнительная вода будет вызывать повышение прочности.

Гофман показал, что обработка солями натрия некоторых кальциевых монтмориллонитов приводит к увеличению прочности смесей в высушенном состоянии, тогда как для других глин этого же типа каких-либо изменений прочности не наблюдается. Обработка глин кислотой или солями калия приводит к уменьшению прочности смесей в высушенном состоянии.

Кривые фиг. 4-17 отражают зависимость сопротивления сжатию высушенных смесей от количества воды при различных содержаниях галлуазитовой глины. Судя по этим кривым, можно видеть, что высушенные смеси с галлуазитовыми глинами имеют низкую прочность. Однако, как будет показано ниже, галлуазитовые глины создают большую прочность смесей в воздушносухом состоянии, которая превышает прочность в высушенном состоянии и достигается лишь при незначительной потере воды из утрамбованной смеси в течение нескольких минут на воздухе. Кроме того, галлуазитовая глина уникальна в том отношении, что полное удаление влаги при высушивании не приводит к увеличению прочности выше той величины, которая достигается при большем содержании воды. Максимальная прочность возрастает примерно пропорционально содержанию глины. В противоположность другим глинам максимальная прочность в этом случае достигается постепенно, а не резко.

Примечательна особенность смесей, связанных галлуазитовыми глинами: для появления у них некоторой прочности в высушенном состоянии требуется небольшое количество воды. Вода не сразу проникает ко всем поверхностям галлуазитовых частиц, как это имеет место в случае монтмориллонита, и поэтому для скрепления их нужно меньше воды.

Судя по кривым, приведенным на фиг. 4-18, смеси, связанные иллитовой глиной, обладают большим сопротивлением сжатию в высушенном состоянии. Их максимальная прочность интенсивно возрастает с увеличением содержания глины. Для этих смесей характерно, что максимальная прочность достигается при сравнительно небольшой влажности. Количество воды, необходимое для получения некоторой начальной прочности высушенных смесей, растет медленнее возрастания содержания глин, а интенсивность увеличения прочности с возрастанием влажности примерно одинакова при любом количестве глины при условии, что последнее выше некоторого минимума. Например, при содержании воды 3,5% в смесях с 6, 8, 10, 12 и 15% глины прочность в высушенном состоянии составляет 52—62 фунт/кв. дюйм. На фиг. 4-19 показано, что максимальное сопротивление сжатию высушенных смесей, связанных каолинитовыми глинами, интенсивно возрастает с увеличением содержания глины. Обычно каолинитовые глины обеспечивают меньшую прочность в высушенном состоянии, чем иллитовые глины, и для получения масс одинаковой прочности в случае каолиновых глин требуется несколько больше воды. Как и в смесях с иллитовыми глинами, количество воды, необходимое для получения некоторой начальной прочности в высушенном состоянии, примерно одинаково при любых содержаниях глины, а интенсивность увеличения прочности с возрастанием количества воды одинакова при любых содержаниях глины вплоть до 15%. Следовательно, сопротивление сжатию смесей в высушенном состоянии, применяемых в производстве, будет одинаковым для смесей с одинаковым количеством воды независимо от содержания глины при условии, что количества глины и воды будут превышать некоторые минимальные величины.

Сопротивление сжатию смесей в высушенном состоянии при любой первоначальной влажности в пределах, обеспечивающих нормальные формовочные свойства, можно представить следующей формулой: DC = (Т — М)К, где T — содержание воды в смесях, M — влажность в %, необходимая для развития в смесях хоть какой-нибудь прочности на сжатие в высушенном состоянии, К — коэффициент, определяемый эмпирически. Величина M определяется по точке пересечения кривых с осью абсцисс на графике, а К — сопротивление сжатию в высушенном состоянии, деленное на ту влажность, которая превышает минимальное содержание воды, необходимое для развития начальной прочности в высушенном состоянии. Эти величины, приведенные в табл. 4-3, позволяют сравнить связность различных глин. Максимально возможные значения прочности смесей в высушенном состоянии при данном содержании глины уменьшаются в зависимости от состава связующего компонента в следующем порядке: натриевый монтмориллонит, иллит, каолинит, галлуазит. Кальциевый монтмориллонит уникален в том смысле, что максимально достижимая прочность указанной смеси в высушенном состоянии возрастает по мере увеличения содержания глины до 8%, а при большем содержании глины не наблюдается никакого повышения прочности. Максимальная прочность высушенных смесей, связанных 8% кальциевого монтмориллонита, примерно равна прочности смесей, связанных эквивалентным количеством иллитовой глины. В смесях, содержащих более 8% иллитовой глины, максимальная прочность возрастает по мере увеличения содержания глины.

Для натриевого монтмориллонита коэффициент К больше, чем для глины любого другого типа: в случае натриевого монтмориллонита изменение сопротивления сжатию смесей в высушенном состоянии в зависимости от исходного содержания воды наиболее интенсивное. В смесях, связанных глиной этого состава, изменение содержания воды на 0,1% вызывает изменение прочности в высушенном состоянии на 5—20 фунт/кв. дюйм. Галлуазит характеризуется самым низким коэффициентом К. Для кальциевого монтмориллонита, иллита и каолинита коэффициент К имеет промежуточные значения, которые ближе к коэффициенту галлуазита, чем к таковому же натриевого монтмориллонита.

Значение M возрастает с увеличением содержания в смесях монтмориллонитовых и галлуазитовых глин. Поскольку кальциевый монтмориллонит и галлуазит характеризуются также низкими значениями К, то для получения высокой прочности сухих смесей, связанных этими глинами, необходимы довольно большие количества воды. Формовочные смеси быстро достигают той влажности, при которой добавка воды не влияет на расположение частиц глинистого минерала, и вследствие этого максимальная прочность таких смесей в высушенном состоянии довольно низкая. В случае смесей, связанных натриевым монтмориллонитом, коэффициент К настолько велик, что в таких смесях развивается исключительно высокая прочность при довольно низких содержаниях воды.

Для формовочных смесей, связанных иллитовой и каолинитовой глинами, значение M низкое и постоянное, и хотя значение К умеренное, в этих смесях достигается высокая максимальная прочность при довольно больших содержаниях глины и умеренных количествах воды. Для иллитовых и каолинитовых глин характерно постоянное значение M и К при любых содержаниях глины в смесях, не превышающих по крайней мере 15%. Следовательно, при данном содержании воды достигается определенная прочность сухих смесей независимо от содержания глины, при условии что оно больше необходимого для получения максимальной прочности при данной влажности.

В табл. 4-4 приведены содержания влаги, при которых достигается максимальная прочность смесей в влажном состоянии, минимальные объемные веса и максимальная прочность высушенных смесей, а кроме того, содержания воды, необходимые для развития хоть какой-нибудь прочности в высушенном состоянии (M). В случае монтмориллонитовых глин значения максимальной прочности смесей во влажном состоянии численно лишь немного превышают значения М. Такая же картина имеет место в тех случаях, когда смеси связаны небольшими количествами галлуазитовой и иллитовой глин. При содержаниях этих глин больше 6—8% максимальная прочность влажных смесей имеет место при содержаниях воды, численно намного превышающих значение М. Смеси, связанные каолинитом, ведут себя необычно: при содержаниях глины меньше 6% максимальная прочность во влажных смесях достигается при содержаниях воды, численно меньших, чем значения М. Для получения минимального объемного веса необходимы содержания воды, численно превышающие значения М, причем содержание воды возрастает по мере увеличения количества глины. Максимальное сопротивление сжатию высушенных смесей достигается при больших содержаниях воды, чем максимальное сопротивление сжатию влажных смесей или минимальный объемный вес.

Сравнение содержаний воды, обусловливающих развитие максимального сопротивления сжатию высушенных смесей и пределов пластичности (пересчитанных на сравнимые величины), показывает, что максимальная прочность высушенных смесей достигается три несколько большей влажности, чем нижний предел пластичности для всех типов глии (исключая, вероятно, натриевый монтмориллонит, для которого нет данных о содержании воды, при котором развивается максимальная прочность высушенных смесей).