Пластичность и консистенция глинистых пород.

В оценке качества глинистого сырья и его пригодности для производства тех или иных изделий еще недостаточно широко используют такое его свойство, как пластичность.

Пластичность- это внутреннее свойство глинистой породы, обусловленное ее дисперсностью и гранулометрическим составом. Оно не зависит от того, увлажнена ли данная глинистая порода или нет, находится ли она в пластичном или непластичном состоянии, в твердом или порошкообразном виде, деформирована или нет, нарушена или не нарушена ее естественная структура. В каком бы виде ни была представлена одна и та же глинистая порода, ее дисперсность, гранулометрический состав, пределы раскатывания и текучести, интервал пластичности или число пластичности всегда остаются неизменными.

Пластичность глинистых пород количественно характеризуется числом пластичности, представляющим собой разность между весовыми влажностями на границе текучести (верхний предел пластичности) и на границе раскатывания (нижний предел пластичности). Оба эти значения являются крайними точками интервала, в пределах которого глинистые частицы могут связывать воду и придавать породе пластическое состояние.

Пластичность глинистых пород обусловливается главным образом дисперсностью минеральных частиц и их взаимодействием между собой и водой. Величина пластичности может быть снижена до нуля при неограниченной добавке отощителей. При добавке глин, наоборот, она может быть повышена, что обычно осуществляется с большим трудом.

Пластичность глинистых пород можно также повысить путем длительного их вылеживания с периодическим замачиванием водой. Однако это не означает, что вылеживание и замачивание повышает пластичность в буквальном смысле. Применение этого способа позволяет лишь более полно проявить их пластические свойства.

Значение чисел пластичности глинистых пород также зависят от минерального состава.

В тонкой фракции глинистых пород выделяют три основные минералогические группы: каолинитовую, монтмориллонитовую и гидрослюдистую. Каждая из них характеризуется своими, присущими только ей особенностями. Группа каолинита (каолинит, галлуазит, анауксит). Породы этой группы обладают прочной, неподвижной кристаллической решеткой, которая при увлажнениине расширяется, поэтому они не набухают или слабо набухают. Имея низкую пластичность группа монтмориллонита (монтмориллонит, нотронит, бейделлит) минералы этой группы имеют подвижную решетку, расширяющуюся при увлажнении. Такие глины набухают и имеют высокую пластичность.

Группа гидрослюд иллита. Породы, объединенные минералами этой группы, характеризуются промежуточными свойствами. По содержанию глинистых минералов покровные суглинки приближаются к группе монтмориллонита. При замачивании водой они набухают, приобретая иногда высокую пластичность, для снижения которой нередко применяют отощающие добавки.

На основе лабораторных испытаний, проведенных ВНИИСТРОМ, было выбрано оптимальное число пластичности, при котором глинистое сырье может быть использовано в производстве обыкновенного глиняного кирпича без добавок отощителей, является число пластичности, равное 11. ему соответствует также оптимальное содержание частиц с размером менее 0,01мм- 45%.

Свойства глинистых пород, их поведение при формовании и сушке изделий зависят во многом от формовочной влажности и консистенции формуемой массы.

Под консистенцией понимают степень подвижности и податливостиглинистой породы при воздействии на нее внешних механических усилий. Консистенция зависит от влажности и степени переработки массы, т.е от того, насколько полно нарушены естественные связи между частицами. Консистенция по существу есть степень насыщенности породы водой. Разным по пластичности глинистым породам требуется и разное количество воды для получения одной и той же консистенции. В зависимости от степени увлажнения глинистые породы могут иметь не только текучую или пластичную консистенцию, но и полутвердую и твердую.

Консистенция глинистых масс в производстве кирпича имеет первостепенное значение. Отсюда велико и влияние влажности на изменение физических свойств формуемой глинистой массы. Именно влажность определяет подвижность и податливость данной глинистой массы, т.е. консистенция, которая полностью проявляется у перемятых глинистых пород.

Для количественной характеристики консистенции в инженерной геологии и грунтоведении принято пользоваться двумя показателями: коэффициент уплотненности К_у и коэффициент консистенции К_К.

     , где

W_f- влажность верхнего предела пластичности (предел текучести)

W_p- влажность нижнего предела пластичности (предел раскатывания)

М_р- число пластичности

W- влажность глиняной массы.

По коэффициенту уплотненности глинистые породы делятся на три группы:

-слабоуплотненные К_у<0

- среднеуплотненные К_у=(0;1)

- сильноуплотненные К_у>1

Таким образом, уплотненность, или плотность, глин зависит от влажности глинистого образца, точнее от его консистенции. Чем выше влажность образца при тех же пределах пластичности, тем выше его консистенции и тем меньше будет его уплотненность.

При W>W_p коэффициент консистенции имеет положительное значение, глинистая масса находится в пластичном состоянии, а при W<W_p коэффициент консистенции отрицательный, глинистая порода имеет непластичное состояние и находится в полутвердом, твердом, полускальном или скальном состоянии. При значении коэффициента больше 1 глинистая масса приобретает текучее состояние, а при Кк< -0,5- полускальное или скальное состояние (глинистые сланцы, эргиллиты и др.).

При W=Wp коэффициент консистенции равен нулю и глинистая масса находится на границе тугопластичного и полутвердого состояния.

Коэффициент консистенции, таким образом, является показателем состояния грунта и степени его увлажнения по отношению к нижнему пределу пластичности.

Для глинистой массы оптимального гранулометрического состава с верхним пределом пластичности 28, нижним 17 и числом пластичности 11 коэффициент консистенции высушенного сырца с остаточной влажностью 8% соответствует минус 0,8:

Основную роль в определении нормальной остаточной влажности высушенного сырца играет величина интервала и нижнего предела пластичности. Чем выше число пластичности и ниже предел раскатывания, тем ниже оптимальная остаточная влажность, и наоборот. В соответствии с этим оптимальные остаточные влажности глинистых масс и изделий при их сушке Wост рекомендуют определять по формуле

Wост=Wp-0,8Mp

Важным показателем физического состояния глинистых масс является также влажность, соответствующая пределу липкости, т.е. тому состоянию массы, когда она начинает прилипать к рукам и различным предметам. Предел липкости находится между верхним и нижним пределами пластичности, примерно в середине интервала пластичного состояния. Коэффициент консистенции предела липкости близок к 0,5.

В процессе пластического формования кирпича-сырца формовочная влажность всегда должна быть ниже предела липкости, но выше нижнего предела пластичности. Глинистая масса, имеющая влажность, соответствующую пределу липкости, хуже формуется, плохо сохраняет приданную ей форму и легко деформируется.

Влажность при пределе липкости Wлип может быть приближенно определена по формуле

Wлип=Wp+0,5Мр

Отощающие добавки.

В глинистой массе, имеющей высокое число пластичности, поры и капилляры очень малы и нередко закрыты. Изделия, сформованные из такой массы, сушатся медленно, перемещение влаги и ее испарение из внутренних участков происходит весьма затруднительно. Вследствие этого возникает большая разность влажностей поверхности образца, сохнущей быстрее, и внутренней его части, медленнее отдающей влагу. Именно это обстоятельство приводит к неравномерной усадке и появлению трещин на поверхности изделий.

Чтобы не допустить возникновения трещин и в то же время добиться быстрой и равномерной сушки, необходимо прежде всего создать в изделии нормальную диффузию. Это достигается за счет внесения в глинистую массу отощающих добавок, снижающих пластичность и увеличивающих размер пор и капилляров. При этом наибольший эффект получают при внесении крупнозернистых добавок. Чем больше в глинистой массе крупных частиц, тем крупнее в ней поры и капилляры и тем быстрее и равномернее идет сушка изделий, сформованных из такой массы. В настоящее время широко распространены органические добавки- древесные опилки и ископаемые угли.

Пределом количества выгорающих добавок является общая пористость обожженного кирпича, которая не должна превышать 20-25%. Добавка кварцевого песка в карбонатные глины несколько улучшает прочность и морозостойкость кирпича, т.к. песок снижает общее содержание карбонатов в глинистой массе. Хорошими песками, которые можно рекомендовать в качестве добавок в глинистую массу как при естественной, так и при искусственной сушке, являются средние и мелкие, хорошо отсортированные природой кварцевые пески, имеющие модуль крупности от 1,5 до 2,5. Этим требованиям отвечают чаще речные (аллювиальные) пески, залегающие в долинах крупных рек.

В практике кирпичного производства пески по их гранулометрическому составу, как правило, не оцениваются. Тогда как количество отощающей добавки находится в прямой зависимости от крупности или гранулометрического состава отощителя: среднего песка потребуется меньше, а очень мелкого- больше. Требования, предъявляемые к строительному песку, определены ГОСТ 8736-67 «Песок для строительных работ. Общие требования».