9. Hiekkojen raekoko ja raejakauma

Transkriptio

1 9. Hiekkojen raekoko ja raejakauma Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Raakahiekan raekoko riippuu paljon sen käyttötarkoituksesta. Useiden tonnien painoiset valukappaleet valetaan tavallisesti karkeaan hiekkaan, kun taas pienet kappaleet, esimerkiksi taide- ja tarkkuusvalukappaleet vaativat hienojakoisen hiekan. (tarkat ja ohuet muottimuodot) Hiekka koostuu tavallisesti useamman kokoisista rakeista. Hiekan raejakautuma ilmoittaa, kuinka paljon ja minkä kokoisia rakeita hiekka sisältää. Erikokoisten rakeiden määrät ilmoitetaan prosentteina. Raekoko ja raejakautuma määritetään raesuuruusanalyysin avulla. Punnittu erä tutkittavaa hiekkaa laitetaan sähkökäyttöiseen epäkeskotäristimellä varustettuun tutkimuskokeeseen, jossa on kerroksittain tiheysjärjestyksessä normioitu seulasarja. Perättäisten seulojen silmäsuuruuksien suhde on 2 eli noin 1,41. Tietyn täristysajan jälkeen eri seuloille jääneet hiekkamäärät punnitaan. Raesuuruusanalyysin tulos voidaan ilmoittaa esimerkiksi pilarikuviona. Kuva. Seulalaitteisto Taulukko. Seula-analyysitaulukko Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 1

2 Raejakautuman tulee antaa hiekalle säännöllinen pakkausrakenne, joka antaa hyvän tiiviyden ja estää metallin tunkeutumisen muotin seinämään. Tämän ohella on kuitenkin kaasunläpäisevyys on säilytettävä. Myös laajalla alueella lähes samansuuruisia rakeita sisältävä hiekka on huonoa läpäisevyydeltään. Hyvän kaasunläpäisevyyden omaavalla täytyy olla kapea raejakauma, joka tarkoittaa, että pääosan hiekkarakeista on jäätävä kahdelle tai kolmelle perättäiselle seulalle. Kaksihuippuinen hiekka, jossa esiintyy kahta toisistaan jyrkästi poikkeavaa raekokoa Kuva. Erilaisia raejakautumia. Mikä näistä on paras valimohiekka? Mikäli tässä kaksihuippuhiekkaseostyyppisessä huiput ovat siinä suhteessa, että hienompi täyttää karkeamman välitilat, on läpäisevyydeltään huonoa valimohiekkaa. Tällöin kaasulla ei ole tilaa poistua muotista niin hyvin kuin on tarpeen. Tällaisia vikoja syntyy varsinkin jos hiekan seassa on paljon pieniä hiukkasia, kuten esim. jos hiekassa on yli 0,5% lietettä (liete < 0,02 mm), on se ensin poistettava Raesuuruusanalyysin perusteella voidaan määrittää hiekan keskiraesuuruus. Tällä tarkoitetaan sitä raekokoa, mikä kaikilla rakeilla olisi, jos olisivat yhtä suuria ja niiden yhteispinta-ala olisi sama kuin todellisilla hiekkarakeilla. Keskiraesuuruus ilmaisee näin hiekan likimääräisen raekoon. Kuva. Kaksi erilaista hiekkanäytettä. Kummalla hiekoista on parempi läpäisevyys? Miksi? Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 2

3 9.1 Raeaineiden valinta Hiekkalaatu valitaan käyttötarkoituksen mukaan. Valinnassa otetaan huomioon hiekan mineraalinen ja kemiallinen koostumus, jotka vaikuttavat hiekan tulenkestävyyteen. Kaupallisten hiekkalaatujen epäpuhtauspitoisuudet alentavat tulenkestävyyttä. Taulukko Erään hiekansekoittimesta otetun näytteen seula-analyysi. DIN 4188 seulaaukko Seulalle jäänyt painomäärä Läpäisy Keskimääräisen raekoon määrittäminen mm g % % kerroin tulo 1, ,5 0 1, ,7 0 0,71 0,4 0,4 99,6 1,0 0,4 0,50 7,1 7,1 92,5 1,4 9,94 0,355 24,7 24,7 67,8 2,0 49,4 0,25 40,2 40,2 27,6 2,8 112,56 0,18 20,3 20,3 7,3 4,0 81,2 0,125 5,4 5,4 1,9 5,6 30,24 0,09 1,1 1,1 0,8 8,0 8,8 0,063 0,6 0,6 0,2 11,1 6,66 pohja 0,2 0,2 0 19,3 3,86 keskiraekoko k = 100,0/303,06 = 0,32997 Puhutaankin hiekan sintraantumislämpötilasta, joka riippuu mineraalisesta koostumuksesta ja sen puhtaudesta. Esimerkiksi maasälpää esiintyy kvartsihiekkojen joukossa. Sen huono tulenkestävyys alentaa kvartsihiekan sintraantumislämpötilaa sitä enemmän mitä enemmän sitä on. Toisaalta mainittakoon, että määsälpää sisältävien kvartsihiekkojen taipumus kuoriutumavaluvikoihin on pienempi kuin puhtaalla kvartsihiekalla. Myös hiekkojen ominaisuudet on otettava huomioon hiekkaa valittaessa: raejakauma ja keskiraekoko raejakauma ja keskiraekoko määritetään seula- ja lieteanalyysien avulla Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 3

4 Pääosan raeaineksista tulisi jakautua melko tasaisesti kolmelle peräkkäiselle seulalle. Tällöin rakeet eivät sullottaessa tiivisty liikaa. Hiekan lämpölaajenemisen seurauksena (erityisesti kvartsilla) hiekalla on mahdollisuus laajetessaan käyttää tätä rakeiden väliin jäänyttä tyhjää tilaa, vähentäen siten kuoriutumavaluvikojen esiintymistodennäköisyyttä. Seula-analyysistä voidaan laskea keskiraekoko. Mitä pienempi keskiraekoko on, sitä enemmän se tarvitsee sideainetta saavuttaakseen tietyn lujuuden. Hiekan raekoko eli karkeus valitaan haluttavan valupinnan karkeuden ja kaasunläpäisevyysvaatimusten perusteella. Sileä valupinta saadaan mahdollisimman pienellä raekoolla, mutta tällöin kaasunläpäisevyydestä joudutaan tinkimään. Tarvittaessa hyvää kaasunläpäisevyyttä joudutaan tyytymään karkeampaan pintaan. Vaadittaessa sekä hyvää valupintaa että hyvää kaasunläpäisevyyttä samanaikaisesti käytetään hienoa hiekkaa ohuena kerroksena valukappaleen pintaa vasten ja muuten muotti täytetään karkeammalla hiekalla. Erityisesti tällaisten hienojen hiekkojen taipumus kuoriutumavaluvikoihin on suurempi kuin karkeille laaduilla. Tuotannon mukaan jaettuna voidaan yleistäen sanoa, että konekaavauksessa käytetään hienompaa hiekkaa kuin käsinkaavauksessa ja kevyessä valussa käytetään hienompaa hiekkaa kuin raskaassa valussa. 9.2 Raemuoto ja sulloutuvus Hiekan raemuoto voi olla joko pyöristynyt, pyörösärmikäs, särmikäs tai suomumainen. Näistä kaavauksen kannalta edullisin muoto on pyörösärmikäs. Pyöristyneet rakeet sulloutuvat liian tiukkaan kaavattaessa, mistä on seurauksena kuoriutumavaluvikojen vaara tai hiekan kaasunläpäisevyyden heikkeneminen. Särmikkäiden rakeiden sisäinen kitka on suuri, jolloin ne eivät sulloudu riittävän tiiviisti ja muotista ei tule tarpeeksi luja. Lisäksi ne juoksevat eli siirtyvät huonosti esim. sekoitinruuhessa ja sulloutuvuus tarkkoihin muotoihin huonompi kuin hienoilla hiekoilla. 9.3 Hiekan ph-arvo Hiekan ph-arvosta ja lähinnä sen emäksisyydestä ollaan kiinnostuneita arvosteltaessa hiekan sopivuutta hapoilla tai estereillä kovetettaville sideaineille. Hapan 1 7 neutraali Emäs (esim. saippua, leivinpulveri) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 4

5 9.4 Humuspitoisuus Hiekkojen humuspitoisuus (=eloperäinen aine) voi olla niin suuri, että tietyt sideaineet (kuten sementti ja vesilasi) kovettuvat huonosti sen takia, jolloin muotin lujuus voi jäädä riittämättömäksi. 9.5 Sulloutuvuuden merkitys Sulloutuvuus ei ole niin tärkeä hartsihiekkakaavauksessa. Sulloutuvuudella on suuri merkitys automaattikaavauksessa, jossa se ei saisi ylittää arvoa %. Silloin on vaarana että kaavauskoneiden puristusvara ei ole riittävä ja puristusta ei saada suoritettua riittävällä teholla. Kuva. Sulloutuvuuskokeen suoritus 9.6 Lujuus Tuorehiekoille tavallisin lujuuskoe on puristuslujuus, kun taas hartsihiekoille taivutuslujuus. Tätä taivutuslujuusmittaustapaa on vähennetty, koska luotettavan tuloksen saavuttamiseksi tarvitaan laboratorio-olosuhteet ja tasalaatuinen sulloutuminen) Kuva. Puristuslujuuskoelaitteisto Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 5

6 Tuorehiekkojen testauksessa käytetään sylinterinmuotoista koekappaletta, jonka korkeus sekä halkaisija ovat 50mm. Tällaista koekappaletta voidaan käyttää määritettäessä mm. puristuslujuutta ja kaasunläpäisevyyttä. Taivutuslujuus on jännitys, jolla koekappale murtuu kun sitä taivutetaan tasaisesti kasvavalla voimalla. Lujuuskokeissa käytetään määrätyn muotoisia koekappaleita, jotka valmistetaan vakio työkaluilla, jotka poikkeavat kaavauksessa käytettävistä työkaluista. Tästä seuraa, että kokeissa saadut arvot eivät vastaa käytännön muoteissa/keernoissa esiintyä arvoja. Kokeet ovat kuitenkin käyttökelpoisia kokeita, koska niillä voidaan seurata hiekkojen ominaisuuksien vaihteluja. Varsinaiset lujuuskokeet tehdään erillisillä laitteilla. Taivutuslujuuskokeissa käytetään koekappaletta, jonka pituus on 172,5mm ja suorakaiteenmuotoisen poikkipinnan koko on 22,4mm x 22,4mm. Kuva. Koesauvalaatikko ja sen irtopalat, sekä koesauva Koekappaleet valmistetaan heti hiekan sekoituksen jälkeen ja tehdään erityisessä laatikossa (katso Kuva. Koesauvalaatikko ja sen irtopalat). Koekappaleen (koesauva) teko aloitetaan ottamalla hiekka suoraan sekoittimen hiekkasuihkusta ja sullomalla se tasaisella voimalla laatikon joka kohdasta ja tiivistämällä se laatikon pinnan tasolle suoraksi. Tämä työvaihe on vaativa, sillä vain tasaisesti samalla voimalla sullotusta keosauvasat voidaan tehdä johtopäätöksiä. Mikäli tähän tasalaatuisuuteen ei päästä, ovat tulokset vain suuntaa antavia. Hiekka on sullottava samaan tiiveyteen koko koepalan alueelta. Koesauva tyhjennetään 45 minuutin kuluttua tasaisen levyn päälle. Taivutuslujuuksia määritetään eri väliaikojen mukaan, esim. 1, 2 ja 24 tunnin taivutuslujuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 6

7 Koesauva asetetaan kahta tukipistettä vasten tasaiselle alustalle, jossa sitä kuormitetaan tasaisesti vastakkaiselta puolelta puristusmännän avulla. Se voima, joka vaaditaan sauvan katkeamiseen, on taivutuslujuus N/cm². Tarpeen mukaan tutkitaan joko tuore- tai kuivalujuus. Arvojen pitäisi perustua vähintään kahden kokeen keskiarvoon. Kuva. Leco laite ja mittaustulokset 9.7 Kosteus Hartsihiekat valmistetaan aivan kuivasta hiekasta, sillä hartsihiekoilla kosteus hidastaa kovettumista ja pienentää saavutettavia loppulujuuksia. Hiekan lämpötila vaikuttaa kosteuspitoisuuteen, sillä kuuma hiekka haihduttaa vettä. Hartsihiekoilla lämpötilalla on lisäksi suuri vaikutus kovettumiseen. Nykyaikaisissa elvytyslaitteissa lämpötilan mittaus ja valvonta suoritetaan automaattisesti. 9.8 Hiekan kaasunläpäisevyys Hiekan kaasunläpäisevyydellä tarkoitetaan hiekan kykyä läpäistä valukaasuja. Läpäisevyys määritellään sen ilmamäärän tilavuutena, joka huoneenlämpötilassa virtaa yhden minuutin aikana 1cm 2 suuruisen alueen läpi ylipaineen ollessa 1g/cm 2. Kaasunläpäisevyyteen vaikuttaa hiekan raekoko ja -muoto, käytetty sideaine ja se kuinka lujaksi muotti on sullottu/kovetettu sekä hiekan kosteuspitoisuus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 7

8 Polttamalla näytettä voidaan määrittää nopeasti mm. hiili- ja rikkipitoisuudet. Tällaisia polttoanalyysejä varten on saatavissa Leco- laitteita, jotka ilmoittavat analyysitulokset suoraan numeroarvoina. Menetelmässä asetetaan tutkittava näyte polttokammioon. Kammio, johon voidaan aikaan saada 1450 C:een lämpötila, täyttyy analysoitaessa hapella. Hapen vaikutuksesta palaminen käynnistyy, jolloin hiili ja rikki hapettuvat muodostaen hiilidioksidia CO 2 ja rikkidioksidia SO 2. Mittaamalla syntyvien kaasujen määrät laite pystyy ilmoittamaan tarkasti hiilen ja rikin pitoisuudet muutamassa minuutissa. 9.9 Hehkutushäviö Hehkutushäviöllä mitataan hiekan joukossa olevien orgaanisten epäpuhtauksien pitoisuus. Hehkutushäviön arvo kertoo mm. elvytyksen tehokkuudesta. Kokeessa näyte kuumennetaan 950 C:een kahdeksi tunniksi. Mitä enemmän ainetta on palanut pois sitä enemmän hiekan joukossa on ollut epäpuhtauksia. 2% voidaan pitää suositeltavana ylärajana Hiekan ph-arvo PH-arvo ja sen haponkulutusarvo antavat tietoa hiekan emäksisyydestä. Näitä arvoja tarvitaan arvioitaessa hiekan sopivuutta hapoilla tai estereillä kovetettaville sideaineille. ph <7hapan, ph=7 neutraali, ph>7 emäksinen. Kuva. Hapan neutraali-emäksinen -asteikko Raimo Keskinen, Pekka Niemi Hiekkojen raekoko ja raejakauma - 8