Наряду с представлениями о природе и влиянии основных факторов на прочность уплотненного кирпича-сырца значительный практический интерес представляют данные о влиянии на эту прочность таких параметров, как формовочное давление пресса, содержание в составе формуемой смеси тонкодисперсной муки, суммарная удельная поверхность смеси, оптимальная ее влажность и т. д. Зависимость прочности кирпича-сырца от указанных факторов до сих пор почти не изучалась. Лишь когда сырец стали отбирать от пресса не вручную, а механическими укладчиками кирпича, потребовалось значительно повысить его прочность, в связи с чем стали изучать влияние на нее различных технологических параметров.
Рассмотрим вначале процессы формования, реально происходящие в современных прессах. При формовании кирпича-сырца давление через пуансоны передается на порции смеси, находящиеся в формовочных гнездах пресс-формы станка. Однако давление на горизонтальные слой смеси по мере их отдаления от пуансонов уменьшается частично вследствие трения зерен смеси между собой (внутреннее трение) и главным образом о стенки формы (внешнее трение).
При соприкосновении формующего пуансона с сыпучим материалом вначале уплотняется прилегающий к нему слой смеси за счет раздвигания более крупными зернами мелких и мельчайших зерен этого слоя и сближения их между собой как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Затем при дальнейшем продвижении пуансона давление передается через прилегающий к нему уплотненный слой последующим слоям смеси и постепенно уменьшается, а часть давления от пуансона испытывает матрица для кирпича, вследствие чего сырец имеет неодинаковую плотность по высоте и по сечению.
Неравномерное уплотнение при одностороннем давлении пресса хорошо видно на рис. 1, где изображены три доли сырца, полученные формованием трех уложенных один на другой одинаковых по массе выровненных слоев смеси, разделенных тонкой бумагой. Характерно, что сырец более уплотнен у стенок формы, чем посередине, и менее всего уплотнен его слой, находящийся у противоположного пуансона. При двухстороннем прессовании распределение плотности по высоте сырца значительно улучшается, а по сечениям, перпендикулярным направлению силы прессования, остается по-прежнему неравномерным.
Рис. 1. Вид отдельных слоев сырца при одностороннем прессовании
Так как прочность сырца и готового кирпича при прочих равных условиях определяется числом микрокапилляров и контактов между зернами в наименее уплотненном слое, то характеристику смеси и формовочное давление следует подбирать из расчета получения достаточной плотности именно этих слабых слоев. При наличии внешнего давления зерна частично перемещаются одни относительно других до тех пор, пока удельное давление на контактные площадки между ними не станет равным пределу прочности материала. Дальнейшее увеличение давления может привести к пластическому течению материала или его хрупкому разрушению в местах перенапряженных контактных участков. Наряду с этим происходит также выдавливание технологической связки или пластичных агрегатов и воды в промежутки между зернами. После заполнения всех пор наступают упругие деформации всесторонне обжатых зерен и защемленного воздуха, т. е. достигается критическое уплотнение (перепрессовка), которое получается при тем меньшем удельном давлении формования, чем выше влажность смеси и больше в ней технологической связки.
После достижения критического уплотнения кирпича-сырца, при выпрессовке сформованных изделий возникает упругое последействие, вызывающее расширение освободившейся из формы части изделия и приводящее в ряде случаев к образованию на нем горизонтальных расслоений.
Влияние удельного прессового давления на прочность кирпича
Исследования, проведенные в СССР во ВНИИстроме на лабораторных и промышленных прессах (рис. 2) показали, что прочность кирпича-сырца при сжатии повышается значительно медленнее, чем давление прессования. Это свидетельствует о том, что данный фактор не оказывает такого важного влияния на прочность сырца, какое можно было предполагать.
Согласно проведенным исследованиям пришли к выводу, что при увеличении давления прессования вдвое прочность кирпича-сырца повышается только на 37%.
От давления при формовании смесей зависит число контактов между ее частицами и размер промежутков между ними, что обусловливает прочность сцепления за счет действия молекулярных сил, а также прочность механического зацепления зерен одного за другое. Сумма прочностей сцепления и зацепления составляет всего 20-30% прочности кирпича-сырца, поэтому увеличение формовочного давления даже в значительных пределах не может оказывать очень большого влияния на прочность сырца.
Рис. 2. Влияние удельного давления на свойства кирпича-сырца: 1 - прочность; 2 - средняя плотность
Влияние уплотнения
Степень уплотнения смеси зависит ее от зернового состава, косвенно определяемого модулем крупности. Степень уплотнения (характеризуемая отношением глубины начальной засыпки к толщине изделия) для сухого материала не зависит от крупности зернового состава, тогда как для тех же материалов, увлажненных до 5%, она значительно больше и уменьшается с увеличением модуля крупности. Это объясняется тем, что сухой отсев различной крупности обладает примерно одинаковой сыпучестью, а влажный отсев мелкой фракции, имеющий значительно больше контактов между зернами, чем крупные, образуют при засыпке формы арки и мостики, создающие повышенную начальную пористость засыпки, которая соответственно уменьшается в процессе формования кирпича-сырца. Однако при этом увеличивается количество запрессованного воздуха и возрастает опасность «перепрессовки» сырца. Степень уплотнения смесей уменьшается по мере снижения влажности материала и увеличения крупности.
Таким образом, от крупности материала зависит не только глубина начальной засыпки смеси и плотность которую имеет кирпич, но и длительность его прессования, необходимая для удаления воздуха из пор смеси.
Влияние удельного давления прессования
Прочность гиперпрессованного кирпича определяется в основном числом контактов между зернами в единице объема и качеством цементирующего вещества. Последнее зависит помимо состава вяжущего и степени однородности формуемой смеси также от плотности цементирующего камня в местах контактов между зернами. Поэтому степень уплотнения смеси оказывает очень большое влияние на прочность гиперпрессованного кирпича.
На рис. 3, а показаны результаты опытов И. Ф. Пономарева по определению влияния удельного давления прессования лабораторных известково-песчаных силикатных кирпичей на прочность после автоклавной обработки. Из него видно, что при повышении удельного давления с 10 до 40 МПа прочность запаренных образцов возросла в 3,2 раза, тогда как прочность кирпича-сырца в том же диапазоне давлений, по нашим данным (см. рис. 3), растет только в 1,8 раза. Это объясняется различным причинами, обусловливающими прочность сырца и запаренных образцов. Если в первом случае решающую роль играет натяжение воды в капиллярах, то во втором - число и качество контактов.
Интересно также, что с увеличением удельного давления прессования растет количество связанной извести в смеси (рис. 3, а), что свидетельствует о более интенсивном образовании цементирующего вещества. Влияние удельного давления формования на прочность полнотелого одинарного кирпича и пустотелых камней изучали С. И. Хвостенко, А. А. Золотухин и М. М. Митрохина на гидравлическом прессе (рис. 3, б).
Рис. 3. Влияние удельного давления прессования: а - на прочность запаренных лабораторных образцов (1) и связывание извести (2); б - на прочность полнотелого кирпича (1) и пустотелых камней (2)
Влияние плотности кирпича на его прочность
Многими исследования установлена линейная зависимость между плотностью готовых изделий и их прочностью. Повышение плотности кирпича оказывает на его прочность даже большее влияние, чем увеличение рабочей поверхности частиц смеси. Однако чтобы получить достаточной плотности облицовочный кирпич при использовании мелкозернистых однородных отсевов требуется весьма большое удельное давление прессования и длительность приложения нагрузки, что не всегда достижимо. В таких случаях при использовании прессов с низким удельным давлением и коротким циклом формования целесообразно корректировать зерновой состав смеси путем использования отсевов различной крупности, ввода укрупняющих или тонкодисперсных добавок, что даст возможность увеличить плотность и прочность кирпича.
