Формование изделий

В технологическом процессе получения строительных изделий операции по формованию являются одним из основных переделов. В большинстве случаев применение того или иного способа фор­мования определяется свойствами формуемых масс и видом изде­лия.

Важнейшим фактором в выборе способа формования является получение полуфабриката с заданными свойствами. Именно свой­ства полуфабриката и определяют как дальнейшие режимы его переработки — сушку, обжиг, тепловлажностную обработку, так и физико-технические свойства готовых изделий — плотность, рав­номерность распределения частиц по объему, отсутствие дефектов в строении сырца (раковины, трещины и т. п.) и, наконец, механи­ческую прочность.

Прочностные характеристики сырца непосредственно не влия­ют на его поведение при дальнейшей обработке и на прочность готовой продукции. Однако они являются определяющими в выбо­ре способа транспортировки полуфабриката, способа укладки изделий на сушильные вагонетки и в пропарочные камеры, в назначе­нии режимов последующей тепловой обработки. Кроме того, при формовании полуфабриката могут возникнуть значительные внут­ренние напряжения, которые при дальнейших технологических пе­ределах могут вызвать появление дефектов в готовом изделии. Правильно выбранный метод формования полуфабриката являет­ся залогом хорошего качества готового продукта.

Таким образом, применяемый в технике термин «формуемость смеси» подразумевает, во-первых, способность ее принимать требуемую форму и, во-вторых, уплотняться под действием внеш­них сил. Употребляемое при этом понятие «пластичности» и «кон­систенции» в полной мере могут характеризовать формовочные свойства (формуемость) массы.

Под пластичностью обычно понимают способность массы пре­терпевать значительные необратимые деформации без нарушения сплошности.

М. П. Воларович, основываясь на уравнении Шведова — Бин­гама (4.9), предложил характеризовать пластичность показате­лем пластичности

φ = Р_пл / η_пл, (7.1)

где Р_пл — предел прочности системы при сдвиге; η_пл — пластическая вязкость.

И. Н. Ахвердов предлагает мерой пластичности считать модуль сдвига и коэффициент внутреннего трения f, определяемый из уравнения Кулона для связанных грунтов

τ = σtgφ + c, (7.2)

где τ — напряжение сдвига системы; σ — нормальные напряжения в системе; φ — угол внутреннего трения; с — сцепление грунта. Для рассматриваемых масс с определенной степенью прибли­жения tgφ интерпретируется как коэффициент внутреннего тре­ния f, а сцепление с — как предельное напряжение сдвига систе­мы. Тогда уравнение (7.2) записывается в виде

τ = τ₀ + f.

Консистенция — это состояние системы, определяемое совокуп­ностью всех сил внутреннего сцепления — адсорбционных, капил­лярных, сил трения. Изменения взаиморасположения и формы ча­стиц твердой фазы, количественных соотношений газообразной (воздуха), жидкой и твердой фаз приводят к изменению конси­стенции массы. Консистенция однозначно определяется предель­ным напряжением сдвига системы.

В технологии строительных материалов принято течение пла­стических смесей с небольшой концентрацией крупного заполните­ля описывать уравнением Шведова — Бингама, а для описания течения жестких смесей с большим содержанием крупного заполнителя, малым количеством воды и связки часто применяют урав­нение Кулона. При этом считают, что в связи с отсутствием сплош­ной среды из цементного теста или растворной составляющей (для бетонов, например) значительно возрастает сопротивление сдви­гу, так как наряду с повышенным вязким трением в среде из-за относительно малого содержания воды возникает дополнительное сухое трение между контактирующими друг с другом зернами за­полнителя.

Такое представление не лишено некоторой идеализации. Во-первых, уравнением Шведова — Бингама могут быть описаны толь­ко минеральные массы. Большинство растворов полимеров, а так­же полимерных композиционных материалов описываются урав­нением Оствальда и не подчиняются закону Шведова — Бингама. Поэтому введение в минеральные композиции полимер­ных добавок (например, поливинилацетатной дисперсии или дис­персии полиэтилена в бетоны) изменяет и характер течения всей массы. Во-вторых, говорить о наличии чистого сухого трения даже в жестких бетонных смесях, строго говоря, не совсем корректно, так как даже при малом количестве воды затворения ее в реаль­ных смесях все-таки достаточно для смачивания крупного запол­нителя и образования поверхностной пленки. Адсорбционные силы значительно превышают реальные сдвиговые усилия, и возмож­ность сухого трения практически исключается. В-третьих, наличие значительного количества газообразной фазы в поризованных ми­неральных смесях (например, ячеистого бетона или керамики) на­кладывает свой отпечаток на кривые течения и деформаций и тем больше, чем больше газовой фазы содержится в этих массах.

Наиболее полно связанность дисперсных систем можно объяс­нить исходя из современных представлений молекулярно-кинетической теории. Силы, действующие между отдельными дисперсны­ми частицами, те же, что и силы притяжения и отталкивания между молекулами, ионами и атомами. Так же как и на уровне молекулы, иона или атома, силы взаимодействия между частицами могут вызывать как взаимное притяжение этих частиц, так и их отталкивание. Силами притяжения являются молекуляр­ные, Ван-дер-Ваальсовы силы, если расстояние между молекулами более 1…2 А, ионно-электростатические и кулоновы, если части­цы контактируют разнозначно заряженными поверхностями, а также водородные связи. Силами отталкивания являются кулоно­вы силы при контакте однозначно заряженных поверхностей ча­стиц, близкодействующие молекулярные силы, а также силы рас­клинивания. Последние обусловлены наличием гидратных оболо­чек, окружающих минеральные частицы.

Взаимодействие между твердой и жидкой фазами в формовоч­ной массе имеет электрическую природу. Внутри твердой частицы ионы с различными знаками уравновешены. На поверхности же частицы такое равновесие не достигается, вследствие чего частица ведет себя как электрически заряженное тело. Под действием электрического поля диполи воды вокруг частицы принимают ориентированное положение и притягиваются к поверхности части­цы. Вблизи поверхности, где силы притяжения весьма велики, мо­лекулы воды прочно связаны с поверхностью частицы, образуя молекулярный ориентированный слой, не участвующий в движении жидкости. Этот слой прочносвязанной (адсорбированной) воды представляет собой граничную фазу и рассматривается как единое целое с минеральной частицей. Толщина граничной фазы соответ­ствует толщине одной или нескольких молекул. Более удаленные ориентированные молекулы рыхлосвязанной (лисорбированной) воды образуют диффузионный слой, который участвует в движе­нии жидкости, обтекая при деформировании твердую частицу. Ад­сорбированная и лисорбированная вода (лиосфера) образуют двойной слой, толщина которого составляет несколько сотен анг­стрем и за пределами которого находится свободная вода. Таким образом, твердая частица с лиосферой представляет собой слож­ное новообразование, в котором высокодисперсная твердая фаза (ядро) связана с окружающей средой через стабилизирующий двойной электрический слой ионов. Такой структурно-неодно­родный комплекс разнородных веществ называют мицеллой; она способна к самостоятельному существованию и определяет все основные свойства коллоидной и дисперсной систем.

В зависимости от физико-химиче­ских условий формирования формо­вочных масс П. А. Ребиндер предло­жил образующиеся структуры под­разделять на два основных типа: коагуляционно-тиксотропные и конденсационно-кристаллизационные.

Коагуляционно — тиксотропные структуры характеризуются водно-коллоидными связями молекулярно-ионно-электростатической природы, рассмотренными выше. Так как тол­щина водных пленок, а соответствен­но и величина сил притяжения, при прочих равных условиях зависит от плотности формовочной массы, то сцепление между отдельными части­цами возрастает при уплотнении массы. Сами связи малопрочны, лег­коподвижны и после разрыва восста­навливаются, т. е. способны к тиксотропному упрочнению. Кинетика тиксотропного восстановления прочности разрушенной структуры обусловлена беспорядочными соударениями коллоидных частиц, на­ходящихся в интенсивном броуновском движении. Не все такие со­ударения приводят к повторному слипанию частиц. В результате эффективных соударений, происходящих на наиболее активных участках — ребрах, углах, где силы притяжения имеют наибольшее значение, частицы вновь сцепляются друг с другом и с более круп­ными зернами. Условиями, определяющими тиксотропное восстанов­ление коагуляционной структуры, являются относительно низкая прочность первоначальной структуры, наличие коллоидно-дисперс­ной фракции частичек, интенсивно участвующих в тепловом движе­нии. Типичными представителями таких структур являются глиняные массы, а также цементное (известковое, гипсовое) тесто в пер­воначальный период после затворения вяжущего водой.

В конденсационно-кристаллизсщионных структурах частицы со­единены непосредственно, без разделения их водной пленкой. Так, в массах, содержащих минеральные вяжущие вещества, коагуляционная структура сохраняется непродолжительное время и в пе­риод твердения в ней возникают элементы кристаллизационной структуры. Связанность такой системы в значительной степени определяется кристаллизационными все возрастающими связями.

Коагуляционно-кристаллизационные структуры не обладают тиксотропнымн свойствами и при разрушении не восстанавливают­ся. Вот почему для таких структур процесс формования должен заканчиваться до момента образования кристаллизационных свя­зей.

Поскольку процесс формования изделий всегда связан с уплот­нением первоначальной смеси, т. е. с уменьшением расстояния между отдельными частицами, тиксотропному восстановлению структуры всегда сопутствует и ее упрочнение.

Строительные изделия изготовляют методом вибрирования, центрифугирования, прессования (сухое, полусухое), пластического формования и литья, а также вакуумирования.

Виброформование. Вибрирование является основным методом формования бетонных и железобетонных изделий. Кроме того, на­учно-исследовательские разработки и опытно-производственное опробование показывают, что метод виброформования достаточно перспективен и в производстве различного рода керамических из­делий.

Большинство формовочных масс в промышленности строитель­ных материалов состоит из связующего (как правило, высокодис­персных частиц в смеси с водой) и более или менее крупных частиц заполнителя. Для компактной упаковки последних при отсут­ствии связующего достаточно интенсивное встряхивание при амп­литуде, способной вызвать перемещение зерен. Чем больше размер зерен, тем больше должна быть амплитуда колебаний, сообщае­мых вибратором. В формовочных массах такому перемещению за­полнителя препятствуют вязкопластические свойства связующего. Для того чтобы зерна заполнителя получили возможность более компактно взаиморасположиться в пространстве, необходимо на­рушить структурные связи в связующем с последующим их восста­новлением после прекращения возмущающих воздействий.

Таким образом, сущность метода виброформования заключает­ся в эффекте тиксотропного разжижения формуемой массы. При этом энергия внешнего воздействия будет расходоваться на нару­шение структурных связей связующего, пространственную пере­группировку зерен заполнителя, придание массе заданной формы.

Эффективность виброуплотнения зависит как от параметров вибрации, так и от реологических характеристик смеси. Парамет­ры вибрирования характеризуются амплитудой колебаний А, ча­стотой колебаний f и продолжительностью вибрирования t. Много­численными исследованиями установлено, что отдельно взятые параметры вибрирования не могут характеризовать эффекта уплот­нения. Качество уплотнения определяется совокупностью этих параметров, критериями которых являются скорость колебаний Аω, ускорение колебаний Аω ² или интенсивность колебаний А²ω² (где ω — угловая скорость).

Параметры вибрации должны быть выбраны такими, чтобы энергия вибрации превысила значения предельного напряжения сдвига данной системы. При превышении значений предельного напряжения сдвига уплотняемая смесь превращается в подвиж­ную текучую массу. Подчиняясь законам гидростатики, она при­обретает способность заполнять форму даже со сложным очерта­нием и уплотняться под действием сил тяжести, вытесняя имею­щиеся пузырьки воздуха наружу. Чем выше предельное напряжение сдвига и вязкость смеси, тем больше должна быть интенсивность вибрирования. Увеличе­ние интенсивности вибрирования выше определенного предела не­желательно, так как это может привести к расслаиванию смеси. Оптимальные значения амплитуды колебаний тем вы­ше, чем крупнее зерновой состав смеси. Чем больше значение рео­логических характеристик смеси, тем выше должна быть частота колебаний.

Обычно формовочная смесь состоит из частиц, разнородных по размерам и плотности, поэтому для ее уплотнения желательно применять поличастотное вибрирование. При этом, поскольку виб­рация низкой частоты эффективна для крупных зерен (типа щеб­ня), средней частоты для зерен песка и высокой частоты для тонких зерен связующего, использование поличастотного вибрирова­ния должно увеличить однородность уплотнения.

В промышленности строительных материалов помимо простого вибрирования применяют различные варианты виброуплотнения — вибрирование с пригрузом, виброштампование, вибротрамбование, совмещение вибрирования с вакуумированием массы. Все эти ме­тоды направлены на получение изделий максимальной плотности.

Основным агрегатом, используемым для виброформования из­делий, является виброплощадка. Часто при формовании жестких и особо жестких смесей в дополнение к виброплощадке использу­ют вибропригруз, а при наличии пустот в изделиях — вибровкла­дыши соответствующей конфигурации.

В промышленности сборного железобетона применяют вибро­площадки с круговыми, горизонтально или вертикально направ­ленными колебаниями (рис. 7.2). Для хорошей работы виброплощадок с круговымиколебаниями необходимо обеспечить соосность дебалансного вала виброплощадки и центра тяжести формы с уплотняемой массой. В противном случае траектории круговых ко­лебаний смеси превращаются в эллипсоидные с неодинаковой амплитудой в различных точках изделия, что приводит к разноплотности изделия. Подобные дефекты наблюдаются и в изде­лиях, имеющих большую толщину и ширину из-за смещения бетон­ной смеси в сторону направления вращения дебалансного вала. Кроме того, при формовании широких изделий на виброплощадках этого типа отмечается повышенное засасывание воздуха у стенок формы.

Рис. 7.2. Принципиальные схемы вибрационных площадок:

а) – с круговыми колебаниями; б) – с многокомпонентными колебаниями; в) – с направленными колебаниями в вертикальной плоскости; г) – с направленными колебаниями в горизонтальной плоскости; д) – с виброударными колебаниями с кривошипно-шатунным приводом; е) – то же, с центробежным вибровозбудителем;

1 – вибровозбудитель; 2 – виброизолирующие опоры; 3 – рабочий орган; 4 – форма с бетонной смесью; 5 – поддерживающие упругие связи; 6 – ударники; 7 – уравновешивающая рама; 8 – упругие связи кривошипно-шатунного привода

Виброплощадки с вертикально направленными колебаниями отличаются равномерным распределением амплитуд колебаний и, следовательно, равномерным уплотнением смеси при изготовле­нии широких изделий относительно небольшой высоты. К недо­статкам их следует отнести более сложную по сравнению с преды­дущим типом конструкцию, а также сильные шумы при работе, зачастую превышающие допустимые нормы.

На виброплощадках с горизонтальными колебаниями смесь получает колебания от поддона и боковых стенок формы в каса­тельном направлении. Они хорошо зарекомендовали себя при формовании длинномерных изделий.

Формование центрифугированием. Под центрифугированием (труб, опор для линий электропередач и т. д.) в промышленности строительных материалов понимают процесс уплотнения неоднородных смесей в поле центробежных сил.

Центробежная сила инерции, действующая на частицу смеси:

F_цб = m ω²r, (7.3)

где т — масса частицы; ω — угловая скорость вращения; r — радиус вра­щения центра тяжести частицы.

Уплотнение смеси следует проводить при такой скорости вра­щения, которая обеспечивает необходимую начальную прочность изделия, достаточную для распалубки его и дальнейшей транспор­тировки.

Внутреннее давление, развивающееся в формуемой массе в результате действия центробежных сил, непосредственно воспри­нимается жидкой фазой. В результате этого возникает избыточное гидростатическое давление, под влиянием которого жидкость фильтруется. Фильтрация будет проходить до тех пор, пока со­противление движению жидкости в поровых каналах формуемой смеси за счет ее уплотнения не сравняется с избыточным гидроста­тическим давлением. Гидростатическое давление изменяется по толщине изделия неравномерно. Оно минимально на внутренней поверхности и максимально на внешней. Поэтому вначале жид­кость наиболее полно отжимается из наружных слоев массы и все в меньших количествах по мере приближения к внутренней по­верхности. Отсюда и водосодержание массы неравномерно — оно больше во внутренних слоях и меньше во внешних.

Неравноплотность центрифугированной массы выражается не только структурной неоднородностью за счет отжатия из него воды, но и в характере распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Более крупные зерна за счет большей цент­робежной силы прижимаются к наружной поверхности, а мелкие зерна концентрируются ближе к внутренним слоям. Поэтому цент­рифугированные массы в отличие от вибрированных имеют мень­шую однородность распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Этот органический недостаток центрифугированных масс может быть устранен при послойном уплотнении.

Уплотнение смеси методом центрифугирования производят в специальных машинах, называемых центрифугами. По способу за­крепления форм различают центрифуги роликовые со свободным вращением форм, ременные с подвеской формы на бесконечных ремнях, огибающих холостые и приводные шкивы, и осевые или шпиндельные (рис. 7.3).

а) б) в)

Рис. 7.3. Схемы центрифуг: а – роликовая; б – ременная; в – осевая.

1 – форма; 2 – ролики опорно-приводные; 3 – ремни; 4 – планшайбы

Осевые центрифуги имеют высокие скорости вращения и позво­ляют уплотнять более жесткие смеси. Недостаток — сложность конструкции и трудность загрузки смеси в форму. Применяются они для производства относительно коротких изделий.

Роликовые центрифуги проще в изготовлении, однако их недо­статок— значительный шум при работе. Кроме того, они требуют высокой степени сбалансированности формы, в противном случае возможно сбрасывание формы со станка. Ременные центрифуги менее чувствительны к балансировке форм, менее шумны при ра­боте, но требуют повышенного ухода из-за износа ремней.

Полусухое прессование. Метод получил широкое распростране­ние при изготовлении различного рода керамических изделий — кирпича, черепицы, бруса, плитки, огнеупорной керамики, неболь­ших по величине бетонных изделий — плитки, бордюрного камня, а также силикатного кирпича.

Сочетание метода прессования с предварительной виброобра­боткой дает хорошие результаты и при изготовлении крупных же­лезобетонных изделий, позволяя снизить прессующие давления в 2...4 раза по сравнению с обычным прессованием. Вибропрессова­ние бетона наиболее широко используют при изготовлении напор­ных железобетонных труб методом гидропрессования.

При полусухом прессовании влажность прессуемой массы составляет 4-12%.

Процесс прессования можно разделить на несколько стадий, отличающихся поведением структурных элементов массы.

В начальной стадии уплотнения массы, засыпанной в пресс-форму, рыхло уложенные частицы перемещаются главным образом в направлении движения прессующего штемпеля с заполнением крупных пор. На этой стадии деформация отдельных зерен прак­тически отсутствует. При достижении некоторого давления струк­турные элементы массы занимают относительно устойчивое поло­жение и дальнейшее их уплотнение определяется деформативными процессами.

Большое значение для формирования структуры по­луфабриката имеет не толь­ко поведение зерен сжима­емого заполнителя, но и яв­ления, происходящие в жид­кой и газообразной состав­ляющих системы.

Под действием возника­ющих усилий рыхлосвязанная вода диффузионного слоя отжима­ется в поровое пространство. По мере сжатия массы и уменьшения общего объема пор доля жидкости в этом объеме растет. Если начальное содержание жидкости велико, то ее объем может оказаться равным общему объему пор. Такое состояние систе­мы называют критической плотностью, а давление, при котором оно наступает,— критическим. При переходе за критическое давление дальнейшее сжатие системы целиком сводится к обрати­мой упругой деформации.

Пластическое формование. Этот метод нашел широкое применение глав­ным образом в промышленности керамической, полимерных строи­тельных материалов и при производстве бетонных и железобетонных изделий (экструзия).

Формование изделий из теста пластической консистенции осу­ществляется ленточным формованием (экструзией), реже штам­повкой в формах и в отдельных случаях ручным формованием (лепкой) керамики.

В технологии керамики к массам пластической консистенции относятся дисперсные системы, у которых сумма сил внутреннего трения (когезия) больше сцепления с поверхностью большинства материалов (адгезия).

Наиболее распространено ленточное формование в шнековых прессах. Отформованная масса непрерывно выходит из мундштука, а затем разрезается на заготовки. Основным недостат­ком технологии ленточного фор­мования является наличие в полу­фабрикате свилей и продольных трещин, возникающих в результа­те крутящих усилий, создаваемых лопастями шнека и трением о стенки выходного мундштука.

При продавливании массы через мундштук между массой и стенкой пресса возникают тормозящие усилия и тем они выше, чем больше скорость движения массы, коэффициент внешнего трения, конусность головки пресса и длина мундштука. В головке пресса и мундштуке, а также на некотором расстоянии от выхода из него центральные слои массы в результате этих тормозящих усилий движутся с большей скоростью, чем внешние, соприкасаю­щиеся со стенками формующей машины.

Значение структурно-механических характеристик формуемых масс для процесса формования заключается в том, что зависи­мость между значением напряжения сдвига и степенью разруше­ния структуры позволяет установить допускаемые напряжения сдвига в процессе формования. Если напряжения сдвига, возникающие между отдельными слоями массы в процессе формования, превышают прочность сцепления между отдельными частицами массы, то происходит отрыв слоев внутри бруса, выходящего из мундштука пресса. Та­кие дефекты в структуре отформованной массы при дальнейших технологических операциях (тепловая обработка) могут вызвать по­явления трещин в изделии.