Принципы подбора зернового состава материалов
При производстве строительных материалов к зерновому составу исходного сырья предъявляются требования в отношении плотности, зависящей от упаковки зерен.
Например, заполнители тяжелых бетонов должны обладать максимальной средней плотностью, зерна известняка при производстве извести должны быть заданного размера и с определенной межзерновой пустотностью для равномерного прохода дымовых газов.
Для получения конструкционных материалов заполнители подбираются по максимальной плотности, для теплоизоляционных материалов, наоборот, - по возможно большей пустотности.
Объем пустот зависит от соотношения размеров и содержания различных по размеру зерен в материале.
Число частиц в единице объема зависит от способа их упаковки, т.е. от взаимного расположения, формы и размера частиц. Плотность упаковки однозначно связана с пористостью. При одной и той же плотности упаковки число частиц в объеме пропорционально 1/d3, а в поперечном сечении пропорционально 1/d2. Количество контактов, приходящихся на каждую частицу в упаковке, называется координационным числом К.
Из зерен узкой фракции нельзя получить достаточно плотной упаковки, и с уменьшением координационного числа пустотность увеличивается.
В зависимости от способа укладки шаров угол q, образованный линиями, соединяющими центры соприкасающихся шаров, изменяется от 60 до 90о. Плотность упаковки Dm при этом может быть определена по формуле:
(8.16)
откуда пустотность - П = (1- Dm).
При крайних значениях угла q плотность упаковки Dm может иметь значения от 0,741 до 0,524, а пустотность, соответственно может изменяться в следующих пределах 0,2595£ П £0,4764.
Если упаковка неплотная, то пустотность определяют, представляя, что каждый шар материала как бы вписан в куб с ребром, равным диаметру шара. Тогда объем каждого куба будет состоять из плотной массы в объеме шара и пустоты, равной разности объемов куба и шара (П = 0,476Vк). Таким образом, объем пустот не зависит от диаметра шаров. Отсюда вытекает важное следствие: в зернистом материале при одинаковом изменении размера зерен пустотность не изменяется.
Плотность упаковки можно значительно увеличить, если в пустоты между крупными (основными) шарами без их раздвижки поместить шары меньшего диаметра. Теоретически можно достичь нулевой пустотности, если в промежутки между зернами укладывать последовательно все более мелкие частицы, однако на практике подобная укладка неосуществима, т.к. зерна даже узкой фракции имеют разные размеры. Невозможна также последовательная укладка зерен все меньших размеров во все имеющиеся промежутки между ранее уложенными зернами, т.к. самые мелкие частицы образуют крупные пористые агрегаты за счет действия сил аутогезии.
Все реальные зернистые материалы полидисперсны, и чем шире диапазон изменения размеров частиц при неизменном среднем диаметре, тем больше общее число частиц, а значит, и число контактов между ними. Важно при этом не только снизить пустотность, но и уменьшить средний размер пор. Это, в свою очередь, приводит к снижению уровня дефектности материала, концентрации напряжений в нем при действии внешней нагрузки.
Различают два основных принципа подбора укладок, эффективно повышающих плотность смеси:
· «непрерывные» укладки, характеризующиеся заполнением объема зернами всех размеров;
· «прерывистые» укладки, при которых между зернами заданных фракций промежуточные фракции отсутствуют. При этом зерна самой крупной фракции образуют каркас, пустоты которого заполняются не максимально вмещающимися зернами, а частицами, имеющими меньший размер.
Предложены различные графики и расчетные формулы для определения оптимального соотношения фракций при непрерывной укладке. По Андреасену плотная укладка заполнителя в бетонах получается при условии:
, (8.17)
где P – содержании фракции с размером зерна меньше D, %; D – размер самой крупной фракции; d – размер любой заданной фракции; q – показатель степени, зависящий от формы зерен и характера их поверхности (q = 0,33-0,5).
Использование сырья с зерновым составом, рассчитанным по приведенной формуле, позволяет получать упаковки с пористостью до 20%. На практике даже при использовании измельчителей, работающих в замкнутом цикле, трудно получить и подобрать требуемый зерновой состав.
В этих случаях, особенно при получении многокомпонентных смесей, применяют прерывистые укаладки. Зерновой состав в этом случае определяют по формуле:
, (8.18)
где a - коэффициент, зависящий от свойств зернистого материала и содержания в нем тонкомолотого компонента, 0<a<0,4; n – показатель, характеризующий распределение узких фракций внутри грубозернистой составляющей и учитывающий соотношение грубозернистой и тонкозернистой составляющих в смеси, n = 0,5-0,9.
Принцип подбора зернового состава материалов по плотности упаковки, играющий существенную роль в различных областях производства строительных материалов, не является универсальным. Как в производстве железобетонных изделий, так и в производстве керамики часто приходится отступать от этого принципа.
Это связано с тем, что необходимо учитывать возможность расслоения бетонных смесей с большим содержанием крупных фракций заполнителя при транспортировании, а также облегчение формуемости «замельченных» бетонных смесей и керамических масс, улучшение спекаемости керамики с ростом содержания тонких фракций и целый ряд других производственных и эксплуатационных факторов.
Таким образом, при подборе оптимальных зерновых составов смеси следует придерживаться следующих положений:
1) реальные смеси по своему составу должны приближаться к теоретически рассчитанным;
2) состав смеси должен назначаться с учетом технологических требований, предъявляемых к ним в процессе дальнейшей переработки;
3) зерновой состав смеси должен обеспечивать получение материала с заданными свойствами, определяемыми пористостью готового изделия;
4) необходимо учитывать энергетический фактор, включающий энергозатраты и трудоемкость измельчения, классификации, транспортные расходы и т.п.