آزمایش اندازه گیری پلاستیسیته خاکها

اندازه گیری پلاستیسیته خاکها :

هدف آزماش:

اندازه گیری بهینه آب برای شکل پذیری

وسایل آزمایش:

300 گرم خاک  _  300 سی سی آب _ الک 50 _ لگن _ لوح گچی _ قاشق _ ففر کورن _ کولیس _ ترازو _ خشک کن _ قالب نمونه _  کاردک _ هاون_استوانه مدرج

خاک مورد آزمایش :  کائولن سوپر زنور

 

تئوری آزماش:

پلاستیسیته عبارت است از خاصیتی که ماده را قادر می سازد تا به هنگام اعمال تنش بدون آنکه دچار گسیختگی شود تغییر فرم دهد و با برداشتن تنش, تغییر فرم در نمونه باقی بماند. تغییر فوق یک تعریف کاملا کیفی برای این ویژگی ماده است و در این رابطه تعریف کمی کاملی ارائه نشده است.

یک نمونه رس یا یک بدنه در شرایط کار پذیری معمولی پلاستیک تر از همان رس یا بدنه در حالت خیلی صلب یا خیلی نرم است. لیکن هنگامی که گفته می شود یک بدنه پلاستیک تر از دیگری است, منظور هنگامی است که هر یک از بدنه ها دارای اپتیم رطوبت مخصوص به خود باشد.در چنین حالتی ما با پلاستیسیته ذاتی بدنه سر و کار داریم که به آن پلاستیسیته بالقوه نیز گفته می شود.به ویژه این ابهام در معنی پلاستیسیته هنگامی مهم است که با اندازه گیری های عدد پلاستیسیته روبرو هستیم. در چنین مواردی همواره مهم است که در نظر داشت آیا این عدد به درصد رطوبت بستگی دارد یا نه , و اگر بستگی ندارد چگونه وابستگی رطوبت حذف شده است.

پلاستیسیته صنعتی سرامیک ها

در هنگام کار با سرامیک ها مرسوم است که هر عیبی که قبل از مرحله پخت ایجاد شود را به عدم پلاستیسیته کافی رس یا بدنه ارتباط دهند. از این لحاظ پلاستیسیته یا قابلیت کار پذیری یک ویژگی جامع است که چندین عامل را در بر دارد و در نتیجه با یک عدد قابل توصیف نیست.عوامل دخیل در پلاستیسیته را نمی توان به سهولت در قالب مفاهیم علمی قرار داد , اما برخی ایده ها در مورد پلاستیسیته تکنیکی را می توان از مطالب زیر به دست آورد:

1-   در قطعات ساخته شده توسط دستگاه علت اصلی عیوب موجود در قطعه پلاستیسیته کم است. این عیوب شامل ترک ها ( که ممکن است خود را پس از شکل دادن و یا پس از خشک کردن نشان دهند) و بافت ضعیف در سطح یا داخل قطعه ( مانند ترک های گوشی یا  s شکل در یک ستون اکسترود شده یا عدم صافی سطح قطعه جیگر شده) است.

2-   از نظر افراد ماهر نشانه اصلی پلاستیسیته ضعیف سرعت کم تولید است, زیرا فرد باید زحمت بیشتری بکشد تا یک قطعه سالم تهیه نماید.

3-   رس ها و یا بدنه هایی که خواص رئولوژیکی آنها حساسیت شدیدی به میزان رطوبت دارند در هنگام کار مشکل آفرین هستند. از این نگاه موادی مطلوب هستند که در آنها رطوبت لازم برای کار پذیری مطلوب دارای رنج نسبتا بازی باشد.

4-   سطوح یک رس یا بدنه دارای خواص کار پذیری خوب باید بتوانند خوب به هم ملحق شوند بدون آنکه سبب محبوس شدن هوا شده و یا سطوح داخلی ضعیفی را پدید آورند.

5-   برای قطعاتی که بر روی قالب های گچی قرار می گیرند چسبیدن نا کافی بدنه به قالب گچی و یا جذب بیش از حد آب بدنه توسط قالب مطلوب نیست.

6-   در روش هایی نظیر جیگرینگ که در حین شکل دادن آب  بر روی قطعه پاشیده می شود رس نباید بسیار چسبناک باشد یا به صورت دوغاب در آید.

7-   بدنه نباید خاصیت باز یابی الاستیک را بعد از برداشتن تنش از خود نشان بدهد. در غیر این صورت شکل آن در نهایت از ادوات شکل دهنده تبعیت نمی نماید.

8-   حضور خاصیت دیلاتانسی به ویژه برای پلاستیسیته مضر است. دیلاتانسی که معرف مقاومت زیاد در برابر سیلان تحت تنش های زیاد و مقاومت کم تحت تنش های کم است در جهت مخالف پلاستیسیته عمل می کندو به نظر می رسد پدیده ای که توسط Macey به پس زنی تعبیه شده است و در اثر آن برخی بدنه ها تحت تنش های متناوب شل می شوند, ارتباط نزدیکی به دیلاتانسی داشته باشد.

برخی عوامل موثر در پلاستیسیته:

هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست.

از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود.

از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد.

دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند.

آزمون های غیر مستقیم ارزیابی پلاستیسیته بر اساس رطوبت:

پلاستیسیته یک بدنه سرامیکی با افزایش میزان رس بدنه و با کوچک تر شدن دانه های رس افزایش می یابد.(البته این دو عامل در موارد حاد منجر به چسبناکی بدنه می شوند). این شرایط منجر به آزمون های غیر مستقیم زیادی برای به دست آوردن پلاستسیته شده است که در این روش ها به جای پلاستیسیته خواصی که به طور تقریبی با پلاستیسیته ارتباط دارند, اندازه گیری می شوند. گروهی از این آزمون ها بر اساس اندازه گیری مقدار رطوبت لازم برای رسیدن به یک غلظت دلخواه استوار شده اند. چون افزایش مقدار رس و یا ریز دانه شدن آن منجر به افزایش سطح ویژه ذرات و بنا بر این بالا رفتن مقدار برای رسیدن به یک غلظت خاص می شود, منطقی است که رطوبت بالا را به پلاستیسیته و بالعکس نسبت دهند.

شاید معروف ترین این روش ها ففر کورن باشد که در روند آزمایش توضیح داده می شود.

در سنجش پاستیسیته به روش آتربرگ که در سطح بین المللی توسط دانشمندان خاک شناس به کار برده می شود, درصد رطوبت در دو حد پلاستیک و حد روانی اندازه گیری می شود. حد پلاستیک عبارت است از درصد رطوبتی که در زیر آن ماده دیگر رفتار پلاستیک نداشته باشد و شکننده شود.این حد هنگامی به دست می آید که پس از آن دیگر نتوان رس را به صورت رشته ای سالم با قطر یک هشتم اینچ لوله کرد. حد روانی رطوبتی است که ماده در بالای آن به صورت یک سیال و در زیر آن به صورت یک جامد پلاستیک رفتار می کند.

(البته در واقع یک ماده در بالای حد روانی هنوز خواص پلاستیک از خود بروز می دهد.)این حد با ساختن خمیری از ماده, قرار دادن آن بر روی یک ظرف برنجی با طرح استاندارد و یافتن تعداد ضربات استاندارد لازم برای بستن شکافی بر روی گل درون ظرف به دست می آید. این آزمون در رطوبت های مختلف تکرار می شود و حد روانی ( با اکستراپوله کردن ) به عنوان در صد رطوبتی که در آن 25 ضربه نیاز است تعیین می شود. آنگاه شاخص پلاستیسیته آتربرگ از اختلاف حد پلاستیک و حد روانی به دست می آید.از آنجایی که این شاخص  محدوده رطوبتی  را که در بالای آن ماده پلاستیک است را اندازه گیری می کند, وسیله ای برای اندازه گیری یکی از ویژگی های خاص پلاستیسیته یعنی عدم حساسیت ماده به تغییر رطوبت است.

یک شاخص تقریبا مشابه که آن هم بر اساس اختلاف بین دو درصد رطوبت معین است عدد ریکه نام دارد. این شاخص از اختلاف درصد رطوبت در حالت کار پذیری معمولی ( مثلا حاصل از آزمایش ففرکورن )  و حد پلاستیک ( مثلا حاصل از آزمون آتر برگ) به دست می آید. برخی معتقدند این شاخص بهترین شاخص کار پذیری پلاستیسیته است.

روش های دیگری نیز برای توصیف غلظت مورد استفاده قرار گرفته است که در آن ها مقدار عددی رطوبت به صورت شاخص پلاستیسیته بیان می شود. در زیر به چند روش اشاره می شود.

در روش Cohn  مقدار رطوبتی که به وسیله آن یک میله با وزن استاندارد در مدت زمان معین تا ارتفاع مشخص در تکه ای از گل فرو می رود شاخص پلاستیسیته است.

در روش Russell و Hunk مقدار رطوبتی که در آن ماده تحت آزمایش تنش فشاری, تنش تسلیمی برابر پنج پوند بر اینچ مربع  داشته باشد شاخص پلاستیسیته است.

در روش Thiemecke مقدار رطوبتی که نشانگر تغییر خواص از حالت پلاستیک به الاستیک باشد شاخص پلاستیسیته است.

در روش Enslin رطوبت جذب شده توسط ماده بسیار ریز دانه در هنگامی که از طریق یک فیلتر شیشه ای متخلخل در تماس با آب قرار گرفته است شاخص پلاستیسیته  است.

روند آزمایش:

ابتدا خاک را با هاون می کوبیم  تا ذرات آن ریز شده و از الک  50 مش  عبور کند.(بعضی خاکها به صورت گرانول است و باید خیلی کوبیده شود اما بعضی مثل بالکلی نیازی به کوبیدن ندارد)

_تعداد سوراخ ها در یک سانتی متر مربع را مش گویند.

پس از الک کردن آنرا در لگن ریخته و داخل آن 300 سی سی آب اضافه کرده و با قاشق هم می زنیم تا دوغاب یکنواختی حاصل شود.. حال دوغاب را با قاشق به آرامی روی لوح گچی پهن کرده تا آب آن گرفته شود و خمیر حاصل شود.در این قسمت می توان از روی تغییر رنگ فهمید که خشک شده یا نه.

بعد از خشک شدن, گل را با کاردک از روی لوح گچی بر می داریم.

گل را در دست خوب ورز داده تا کاملا یکنواخت شود و از ایجاد خطا تا حد ممکن جلوگیری شود. حال گل را داخل نمونه ففرکورن فرو کرده و خوب فشار می دهیم تا فضای خالی داخل نمونه باقی نماند و یکدست شود.

گل را با سمبه از نمونه در می آوریم و درست در وسط صفحه دستگاه ففر کورن قرار می دهیم.

دستگاه ففر کورن شامل یک وزنه 1 کیلو گرمی است که از ارتفاع 185 میلی متری آنرا رها می کنیم. نمونه ففر کورن یک استوانه به ارتفاع 4 سانتی متر و قطر 2.8 سانتی متر می باشد.

بعد از رها کردن وزنه روی نمونه  ار تفاع ثانویه را با کولیس اندازه گیری می کنیم.( اندازه گیری از طریق فرو کردن ته کولیس در گل راحت تر است)

حال وزن نمونه تر را اندازه گیری می کنیم. 4 نمونه درست کرده که ارتفاع های ثانویه آنها یکی کمتر از 12 میلی متر و دو تای آنها بین 12 و 16 میلی متر و یکی نیز بیشتر از 16 میلی متر باشد.

حال نمونه ها را داخل خشک کن به مدت 5 الی 20 ساعت قرار می دهیم تا کاملا خشک شود. حال وزن خشک نمونه ها را نیز اندازه گیری می کنیم.

سپس درصد رطوبت نمونه ها را بر مبنای خشک به دست می آوریم.

سپس روی کاغذ میلی متری نمودار ارتفاع ثانویه بر حسب در صد رطوبت را رسم می کنیم. 4 نقطه حاصل از 4 نمونه را روی نمودار تعیین می کنیم و نزدیک ترین خط را که شامل بیشترین نقطه ها باشد رسم می کنیم. و از روی نمودار موارد زیر را به دست می آوریم.

** عدد پلاستیسیته ففر کورن = در صد رطوبت در ارتفاع 12 میلی متر

** درصد آبکار پذیری ففرکورن = درصد رطوبت در ارتفاع 16 میلی متر

(بهینه آب برای بهترین حالت شکل پذیری عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن است.)

** فاکتور پلاستیسیته ففرکورن = R(R_r)       

R   درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه صفر میلی متر است.

r  درصد رطوبت در ارتفاع ثانویه 40 میلی متر است.

نتایج آزمایش مربوط به خاک کائولن سوپر زنور:

	ارتفاع اولیه	ارتفاع ثانویه	وزن تر	وزن خشک	%Md
نمونه 1	40mm	14.1	49.7	36.1	37.8
نمونه 2	40mm	24.1	54.49	40.85	34.1
نمونه 3	40mm	14.2	52.93	38.51	37.4
نمونه 4	40mm	9	51.59	36.82	40.1

بحث و نتیجه گیری:

 

گروه	خاک	درصد   آبکارپذیری
1	بالکلی	21
2	کائولن زنور	39
3	کائولن سوپر زنور	36
4	بالکلی	26
5	کائولن زدلیر

 

کائولن ها و بالکلی ها اغلب خاک های پلاستیک هستند.بنا بر این می توان از آنها برای مصارفی که نیاز به شکل پذیری زیاد است استفاده کرد..

خاک کائولن زنور چون دارای بیشترین درصد آبکار پذیری است پس از پخت به دلیل تبخیر آب دارای ترک بیشتری نسیت به دیگر خاک ها است.

نتایج به دست آمده در بالا می تواند در مورد یک خاک مشخص مثلا بالکلی در شرایط متفاوت فرق کند.مثلا اگر به جای الک 50 مش از الک 200 مش استفاده می کردیم عدد های بیشتری حاصل می شد زیرا با ریز تر شدن دانه ها پلاستیسیته افزایش می یابد.

یک سری خاک ها مثل فلد اسپار چغایی_ سیلیس همدان _ دولومیت ( که در بالا اعداد فاکتور آبکار پذیری آنها ذکر نشده) خاک های غیر پلاستیک هستند و دارای درصد آبکار پذیری کمی می باشند. در واقع در صد آبکار پذیری فاکتوری برای تعیین میزان پلاستیسیته یک خاک است.

خطاهای آزمایش:

خطای ایجاد شده هنگامی که گل را از روی لوح گچی بر می داریم. که ممکن است روی آن خشک تر از زیر آن باشد و اگر خوب ورز ندهیم باعث ایجاد خطا می شود.

خطای ایجاد شده هنگامی که گل را در قالب نمونه فرو می کنیم که اگر خوب همه جای قالب را پر نکند باعث ایجاد خطا می شود.

خطا هنگامی که نمونه دقیقا در وسط دستگاه قرار نگیرد و قسمت های مختلف گل پس از رها کردن وزنه دارای ارتفاعات متفاوت باشد.

خطای چشم در خواندن عدد از روی کولیس.

خطاهای دستگاه های آزمایش مانند ترازو , کولیس , ...

خطا های محاسباتی هنگامی که عدد ها را از روی نمودار به دست می آوریم. زیرا هر چه قدر هم که نمودار دقیق باشد به دلیل خطا های قبلی نمودار حالت تقریبی دارد.

خطا هنگامی که نمونه را از خشک کن در می آوریم . ممکن است از اطراف رطوبت جذب کند. و یا گرد و غبار باعث ایجاد خطا شود.

منابع :

کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( تالیف:افسون رحیمی , مهران متین )

کتاب مبانی شکل دادن سرامیک ها _ جلد اول _ رئولوژی سیستم ها ی سرامیکی (نوشته : اف . مور)