Свойства глинистых материалов. Пластичность воды

Грунтовые воды

Вода в горных породах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии. Состояние и свойства воды, находящейся в горных породах, были детально изучены русским ученым А. Ф. Лебедевым. Позднее в классификацию А. Ф. Лебедева были внесены поправки и дополнения, но сущность его представлений не изменилась (см. схему). Жидкая вода в грунтах делится на два вида: связанная и свободная. В свою очередь, связанная вода включает в себя прочносвязанную и рыхлосвязанную. Каждый из видов воды в грунтах оказывает большее или меньшее влияние на физикомеханические свойства грунтов. Особенно это влияние сказывается на глинистых грунтах.

Грунтовые воды

Молекулярная вода (прочно и рыхлосвязанная) вступает во взаимодействие с поверхностью глинистой частицы. Молекула воды (диполь), попадая в электрическое поле отрицательной частицы, притягивается огромными электромолекулярными силами притяжения. Эти молекулы и составляют прочносвязанную воду (толщина слоя – 1-2 молекулы). Прочносвязанная (гигроскопическая) вода обладает рядом свойств, отличающих ее от жидкой воды. Она не растворяет солей, не проводит электричество, не передает гидростатического давления, имеет плотность 2 г/см3, замерзает при температуре -78°С. Она неподвижна, при t=105 ОС переходит в парообразное состояние и начинает перемещаться.

Рыхлосвязанная вода образует второй сплошной и более толстый (до 100 молекул) слой вокруг частиц. Удерживается на поверхности частиц пленочная вода за счет тех же сил, что и гигроскопическая, но значительно ослабленных. Силы электромолекулярного притяжения, чрезвычайно большие непосредственно у поверхности частиц, быстро уменьшаются по мере удаления от нее. Пленочная вода по свойствам отличается как от гигроскопической, так и от свободной воды. Она обладает повышенной вязкостью, упругостью, замерзает при температуре -2°С, не передает гидростатического давления. Пленочная вода может передвигаться от частицы к частице из мест, где пленки воды толще, к местам, где они тоньше. Общая толщина гидратной оболочки может быть различна для различных пород и увеличивается с уменьшением размера твердых частиц. С пленочной водой связаны такие важные свойства глинистых пород, как набухание, усадка, пластичность, липкость.

Максимальное количество связанной воды, которое может содержаться в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью.

Чем больше пористость и влажность грунта, тем слабее связи между его частицами. Поэтому пористость и влажность определяют прочность грунта.

При влажности больше максимальной молекулярной влагоемкости в породе содержится свободная вода. Свободная вода делится на капиллярную и гравитационную. Капиллярная вода заполняет мелкие поры, поднимается по ним против силы тяжести на некоторую высоту и удерживается силами поверхностного натяжения менисков.

В крупнообломочных грунтах (щебень, галька) высота поднятия около 1-2см, в мелких и пылеватых песках – 30-40см, в глинистых грунтах до 2,5м. Эта вода вызывает сырость в подвалах и нижних этажах зданий.

Гравитационная вода заполняет наиболее крупные поры и трещины. Она может находиться в состоянии покоя или движения (перемещается под действием силы тяжести или разности уровней). Если гравитационная вода находится в состоянии покоя и между частицами воды существует гидравлическая связь, то она будет взвешивать частицы породы по закону Архимеда. Такое взвешивающее давление воды называется гидростатическим. Явление взвешивания частиц породы водой необходимо учитывать при определении давления породы на ограждения, при расчете фундаментов, на которые также действует гидростатическое давление, при расчете устойчивости склонов, дна и откосов котлованов и т. д.

Если гравитационная вода в горных породах находится в движении, то она, кроме гидростатического давления, будет оказывать на частички породы и сооружениягидродинамическое давление. Гидродинамическое давление находится в прямой зависимости от значения гидравлического градиента.

Гидравлический градиент – разница пьезометрических уровней, отнесенная к пути фильтрации.

При постоянном увеличении гидродинамического давления частички рыхлых пород могут перейти в состояние невесомости. Гидравлический градиент, соответствующий состоянию невесомости горных пород, называется критическим и численно близок к единице. При больших значениях гидравлического градиента грунтовые частицы могут в определенных условиях увлекаться и уноситься водным потоком. Большое значение имеет направление действия гидродинамического давления. При действии его сверху вниз горные породы уплотняются, при действии снизу вверх — разрыхляются. Действующее снизу вверх гидродинамическое давление может приводить к подъему дна котлована и выталкиванию фундамента.

Парообразная вода содержится в воздухе, заполняющем поры, трещины и пустоты горных пород. Количество ее зависит от температуры и влажности породы, а также от упругости водяных паров в атмосфере данного района на определенный момент времени. Парообразная вода способна перемещаться от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей упругостью. При понижении температуры она может конденсироваться, образуя капельно-жидкую воду.

Твердая вода (лед) образуется в грунтах из гравитационной воды при температуре ниже 0 °С. Лед может содержаться в горных породах в виде отдельных кристаллов, линз или прослоек, достигающих иногда значительных мощностей, особенно в районах многолетней мерзлоты.

biofile.ru

Свойства глинистых материалов | Производство фарфора и фаянса

Свойства глинистых материалов наиболее полно определяются при увлажнении их водой. Глинистые материалы по-разному поглощают влагу из воздуха, взаимодействуют при непосредственном увлажнении, неодинаково отдают влагу при сушке, так как вода по-разному связана с глинистыми частицами.

Формы связи влаги с материалом в системе глина — вода по классификации П. А. Ребиндера можно разделить на три вида: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Химическая вода входит в кристаллическую решетку глинистых материалов и удаляется при 550—600° С. Физико-химическая влага может быть в виде адсорбционной (вода гидратных оболочек), осмотической или структурной.

Физико-механическая влага, в свою очередь, подразделяется на влагу макро-(>1 мкм) и микрокапилляров (<1 мкм) и влагу смачивания. Влагу физико-химическую и физико-механическую также можно разграничить на свободно- и прочносвязанную. Прочносвязанная вода входит в гидратную оболочку глинистых частиц.

Общее количество прочносвязанной воды у глин и каолинов различно и составляет: у монтмориллонита 10—25%, часов-ярской глины 9—10, каолинов 2—4%. В фарфоровой массе с влажностью 22—23% по массе объем воды 42—45, а объем прочносвязанной воды 0,8—1% общей влажности материала. Свободносвязанная вода размещается между глинистыми частицами в капиллярах и подчиняется законам гидростатики.

Каждому виду глины и каолина присуще свое определенное водосодержание, при котором в наилучшем виде проявляются их керамические свойства: у каолинов 27—31%, часов-ярской глины 30—32%, трошковской глины 30—36%, Количество роды рабочего водозатворения зависит от минералогического состава, дисперсности и природы обменных катионов и анионов.

Влага в керамических массах выполняет роль смазки при перемещении частиц. При влажности 32—33% керамическая масса разжижается (в присутствии электролитов) и становится пригодной для изготовления изделий методом отливки.

Пластичность — способность тестообразной керамической массы принимать под влиянием внешних усилий любую форму без разрывов и трещин и сохранять ее после внешнего воздействия. Пластичность можно рассматривать как промежуточное состояние между хрупким и вязкотекучим состоянием материала. Мера (число) пластичности определяется как разность между влажностью предела раскатывания (масса крошится) и нижней границей текучести (масса растекается). По пластичности глинистое сырье разделяют на пять групп: высокопластичное, среднепластичное, умереннопластичное, малопластичное и непластичное с числом пластичности соответственно более 25, 25—15, 15—7, менее 7; непластичные не дают пластичного теста. У непластичных материалов пределы раскатывания и растекаемости совпадают. Такое определение пластичности условно и не характеризует истинное значение этого важнейшего свойства глинистых материалов и масс на их основе, которое до настоящего времени еще не полностью изучено.

Более, точно пластичность характеризуется данными, получаемыми при прямом измерении деформации при сжатии, прочности при растяжении и удлинении, срезе (сдвиге) и скручивании, по величине линейной усадки при сушке, прочности на изгиб высушенных образцов. На пластичность влияют природа минералов и количественное соотношение их в массе, величина частиц и их форма, особенности поверхности частиц, ионообменная способность, количество воды и растворенные в ней вещества, величина поверхности, взаимодействующей с водой.

Пластичность можно понизить добавлением непластичных материалов: песка, боя изделий (шамота), более тощих глин. Плавни в сырых массах также играют роль отощающих добавок. Повысить пластичность масс можно вводом пластифицирующих добавок, длительным вылеживанием, вакуумированием,Ионнообменная способность — вид и количество адсорбируемых катионов — оказывает большое влияние на систему глина — вода. В естественном состоянии на поверхностях глинообразующих минералов чаще всего адсорбируются катионы Ca2+, Mg2+, Na+, H+, которые при использовании растворов электролитов в большинстве случаев легко обмениваются с другими ионами. Причиной адсорбции ионов является их неправильное распределение в октаэдрических и тетраэдрических слоях глинистых минералов. Обменные катионы каолинита главным образом адсорбируются на свободной от гидроксильных групп площади основания, содержащей гидроксильные группы по краям кристаллов. Ионную способность глинистых минералов учитывают при подготовке пластичных масс и особенно литейных шликеров.

Мерой емкости обмена (емкость поглощения) принято называть количество катионов или ионов (г/моль ·103), поглощенных 100 г глины и способных к обмену. Емкость катионного обмена возрастает с уменьшением размера глинистых частиц. Величина емкости поглощения колеблется, у каолинов она составляет 3—15, каолинитовых глин 9—20, гидрослюдистых глин 10—40, бентонитов 40—150 г/моль·103.

www.stroitelstvo-new.ru

zilant.kpfu.ru

Пластичность грунта - его способность под воздействием внешних сил изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после прекращения этого воздействия.

Пластичностью при определенной влажности и небольших давлениях обладают только глинистые и лёссовые грунты, мергели и мел, торф, почвы и некоторые искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует [1,2].

Природа пластичности:

В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих природу пластичности грунтов:

Коллоидная гипотеза (по П.А.Земятченскому) основана на том, что коллоиды, присутствующие в глинах, являются «смазкой» между частицами при их относительном перемещении.
Гидратная гипотеза (по П.А.Рединберу) предполагает наличие тонкой прослойки жидкой дисперсионной среды, толщина которой соответствует минимуму свободной энергии системы. Наличие этой прослойки жидкости в участках коагуляционного сцепления препятствует дальнейшему сближению частиц, поэтому коагуляционные системы пластичны [2].

Показатели пластичности (условно косвенные):

Верхний предел пластичности (WL) — граничная влажность, при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее;
Нижний предел пластичности (Wp) — граничная влажность между полутвердым и пластичным состоянием грунта; он характеризует минимальную влажность, при которой частицы способны перемещаться относительно друг друга без нарушения сплошности грунта;

Число пластичности (Iр) — разность в величине влажности грунта при верхнем и нижнем пределах пластичности. Число пластичности показывает диапазон колебаний влажности, в котором грунт обладает пластическими свойствами. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт [1, 2].

Факторы, определяющие пластичность:

1.Гранулометрический состав	Чем выше дисперсность — тем выше пластичность: пластичные свойства начинают проявляться у частиц диаметром меньше 5 мкм; у фракции 3—2 мкм пластичность выражена слабо; частицы размером 2—1 мкм имеют небольшую пластичность; у частиц менее 1 мкм величина пластичности уже значительная. Наиболее сильно от гранулометрического состава зависит верхний предел пластичности (рис. 1). Столь тесной связи между гранулометрическим составом и нижним пределом пластичности (границей раскатывания в шнур) не наблюдается [1]. $nz="Зависимость верхнего предела пластичности от содержания в грунте глинистых частиц (по П.Ф. Мельникову) "; ?> Рис. 1. [1].
2. Минеральный состав грунтов	Т.к. различные минералы неодинаково взаимодействуют с водой, пластичность грунтов во многом определяется их минеральным составом.Кроме того, от строения кристаллических решеток минералов зависит форма частиц, которая в свою очередь оказывает влияние на величину пластичности. Наибольшей пластичностью обладают минералы, у которых частицы имеют пластинчатую,чешуйчатую форму.Величина пластичности грунтов больше в том случае, когда в их глинистой фракции содержатся минералы группы монтмориллонита, и меньше при содержании каолинита. Это обусловлено тем, что в случае присутствия в грунте минералов группы монтмориллонита связано со значительным возрастанием дисперсности и гидрофильности грунта [1,2].
3. Присутствие органических веществ	Присутствие в грунте органических веществ и органоминеральных комплексов способствует увеличению связанной воды и воды переходного типа, → пластичность у таких грунтов возрастает [2].
4. Состав обменных катионов	По своей способности увеличивать пластичность грунтов наиболее часто встречаемые катионы располагаются в следующей последовательности: Li+ > Na+ >К+ > Mg2+ > Са2+ > Н+ > Fe3+ > Аl3+. Эта закономерность соответствует изменению содержания слабосвязанной воды и дисперсности грунтов, которая наблюдается при замещении одних катионов на другие. Влияние на пластичность обменных катионов в пределах одной валентности определяется их гидратационной способностью. Чем больше степень гидратации катионов, тем в большей мере проявляется пластичность грунтов. Пластичность повышается также при увеличении емкости поглощения грунта [1].
5. Cостав и концентрация внешнего раствора	Состав растворенных в воде соединений влияет на состав обменных катионов в грунтах, которые, как показано выше, влияют на пластичность грунтов, а концентрация раствора во многом определяет толщину диффузионного слоя. Присутствие значительного количества солей понижает пределы пластичности грунтов, причем особенно сильно у высокодисперсного грунта (монтмориллонит). Уменьшение пластичности грунтов при большой концентрации солей связано с процессом дегидратации и агрегации грунтовых частиц, сопровождаемых уменьшением диффузного слоя грунтовых мицелл и, естественно, уменьшением содержания слабосвязанной воды в грунтах [1]. Следует отметить, что пластичность глинистых грунтов наблюдается лишь в том случае, когда они замачиваются неорганической полярной жидкостью (водой), [2]. Таб. 1. Изменение пределов пластичности глин в зависимости от концентрации NaCl (по данным И.В. Попова), [1] $nz="Таб. 1. Изменение пределов пластичности глин в зависимости от концентрации NaCl (по данным И.В. Попова)"; ?>

Пластичность глин и классификация глин по пластичности.

Пластичностью глин называется их способность давать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних усилий может принимать любую форму и сохранять ее после прекращения действия внешних усилий. Под водой затво-рения подразумевают количество воды, необходимое для придания глине нормальной рабочей консистенции, выражаемой в % от массы сухой глины. К навеске прибавляют воду при непрерывном постепенном перемешивании массы, пока глина не приобретает нормальной влажности. Для определения нормальной влажности глиняного теста пользуются прибором с иглой. При добавлении к глине более 28—30% воды глина теряет пластичность и превращается в жидкую текучую массу — шликер.

Количественной мерой пластичности (ГОСТ 9169—59) является разность влажностей между нижней границей текучести W1 и границей раскатывания глины в жгут W2.

Число пластичности П вычисляют по формуле

П= W1- W2

где W1 — влажность глиняной массы при нижней границе текучести, %; W2— влажность глиняной массы при верхней границе раскатывания, %

За число пластичности принимается среднее арифметическое двух определений.

В зависимости от числа пластичности П глины делятся на пять классов: высокопластичные с числом пластичности более 25. среднепластичные — от 15 до 25, умеренно-пластичные — от7 до 15, малопластичные — менее 7 и непластичные, не образующие пластичного теста.

Добавки-регуляторы свойств глинистых пород

В производстве стеновой керамики в зависимости от природных свойств глины используют следующие виды добавок: отощители, пластификаторы, флюсующие (плавни), топливосодержащие, регулирующие высолы на его поверхности, окрашивающие. В большинстве случаев введение добавок оказывает комплексное влияние.

В качестве отстающих добавок используют песок, шамот, дегидратированную глину, тонкомолотый шлак, золу ТЭС и др. в количестве от 10 до 30 % по массе.

Кварцевый песок — распространенный отощитель. При

обычных температурах обжига изделий он не взаимодействует с расплавом и тем самым способствует устойчивости изделий при сушке и обжиге.

Древесные опилки армируют глиняную массу, улучшают формовочные свойства, повышают трещиностойкость при сушке, однако снижают прочность изделий и повышают их водопоглощение. Более эффективно применять 5—10% опилок в сочетании с минеральными отощителями.

Отвальные и гранулированные шлаки черной и цветной металлургии, топливные шлаки снижают чувствительность сырца к сушке, повышают трещиностойкость и улучшают процесс обжига.

добавок сводится к измельчению или просеиванию их до заданного зернового состава.

Пластифицирующие добавки используют для приданиямалопластичному (тощему) глинистому сырью необходимойформуемости, улучшения сушильных свойств и получения прочныхизделий. В качестве пластифицирующих и одновременно обогащающих добавок применяют высокопластичные, тонкодисперсные, огнеупорные или тугоплавкие глины, отходы добычи и обогащения углей, бентонитовые глины, а также органические и ПАВ, электролиты. СДБ, технический лигнин, триэтаноламин. Высокопластичные глины добавляют в количестве до 5 %, лигносульфонаты в виде растворов - 0,3-0,5 % в расчете на сухое вещество. Они повышают пластичность сырья благодаря образованию на поверхности глинистых частиц адсорбционных пленок, играющих роль смазки. Наиболее эффективный способ введения пластифицирующих добавок — в виде шликера или суспензии вместе с водой затворения.

В качестве корректирующих шихту добавок в производстве изделий стеновой керамики могут использоваться экологически безвредные отходы производства и специально приготовленные добавки [8, 13, 14].

Выгорающие добавки выгорают при обжиге изделий. К таким добавкам относятся: древесные опилки, каменные и бурые угли, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС, гидролизный лигнин и др. Количество добавок в шихте составляют 2,5-15 % по объему.

Флюсующие добавки (плавни) снижающие температуру обжига изделий в результате взаимодействия с основной керамической массой и образованием легкоплавких соединений, способствуют появлению жидкой фазы при обжиге изделий при более низких температурах в результате образования с компонентами основного сырья низкотемпературных эвтектик. В качестве флюсующих добавок используют тонкомолотый бой стекла, шлаки, пиритные огарки нефелин-сиенитовый концентрат, перлит, доломиты, диабазы, атьбитофиры, полевые шпаты и др.

К окрашивающим добавкам относит тонкомолотые светложгущиеся глины, марганцевые, железные н фосфорные руды, карбонатные породы и др. Подготовка

Примеси в глинах.

Химический состав глин колеблется в широких пределах, и входящие в состав глин оксиды по разному влияют на процесс получения конечные свойства керамики.

В глинах наиболее характерных видов содержится (в % по массе): кремнезема – 46-85, глинозема – 10-35, оксида железа – 0,2-10, диоксида титана – 0,2-1,5, оксидов щелочных металлов – 0,1-6, сернистого ангидрида – 0-0,5, потери при прокаливании (п.п.п.) – 8-14.

Примеси в глинах находятся в виде тонкодисперсных частиц либо включений и оказывает существенное влияние как на формовочные свойства глин, так и на свойства готовых изделий.

Кварцевый песок, количество которого может достигать в глинах по массе 60%, ухудшает пластичность, связующую способность глин и повышает трещинообразование на стадии охлаждения в процессе обжига, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности и морозостойкости готовых изделий.

Оксид алюминия (глинозем – А1203) при повышенном его количество в глине приводит к увеличению температуры обжига и интервала спекания. А изделия с низким содержанием глинозма обладают невысокой прочностью.

Наличие железистых примесей (оксидов и гидроксидов железа, лимонит, пирит, сидерит) придает обжигаемым изделиям в зависимости от их количества цвет от светлокремового до красно-бурого. Глины с повышенным содержанием красящих оксидов железа могут слуюить природными пигментами: до 25% гидроксида железа – желтая охра, до 40% оксида железа -красная охра, до 60% оксида железа – яркокрасный сурик и др. В определенных количествах железистые соединения повышают количество керамических изделий, а также указывают на способность глин к вспучиванию.

Включения пирита и гипса являются причиной появления на поверхности готовых изделий зеленоватых выцветов и выплавов.

Наличие сульфатов вызывает после обжига появление на поверхности изделий высолов.

Карбонатные примеси (кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания, повышают пористость и понижают прочность готовых изделий. Тонкодисперсные примеси карбонатных пород практически не оказывает влияние на качество стеновой керамики, но очень вредны для производства изделий с плотным черепком – напольных плиток, канализационных труб, дорожного кирпича. Крупные же включения (более 1 мм) переходят при обжиге сырца в известь, которая гидратируется, поглощая водяные пары из воздуха или при увлажнении изделий в службе, резким увеличением объема, приводящим к появлению локальных вздутий («дутиков») либо полному разрушению изделий.

Оксид кальция в виде СаС03 также понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, повышает пористость, снижает прочность и морозостойкость изделий.

Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями. Они понижают температуру обжига, повышают плотность и пористость изделий, ослабляют красящие свойства оксида железа.

Органические примеси (п.п.п.) в виде остатков растений и гумусовых кислот окрашивают изделия в темные тона, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно воздушную осадку. С увеличением их содержания возрастает пористость, тем самым снижая механическую прочность изделий. Они полезны при получении стеновой керамики, но нежелательны в производстве напольных плиток, особенно беложгущихся.

stydopedia.ru