13. Savisideaineet. Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto

Transkriptio

1 13. Savisideaineet Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Savisideaineet ovat luonnon tuotteita, jotka saadaan sitomiskykyiseksi kostuttamalla ne vedellä. Savella on taipumus imeä itseensä suuria määriä vettä. Eräiden savimaalajien vedenottokyky voi olla % kuivan saven painosta. Kostuessaan ne turpoavat melkoisesti ja kutistuvat vastaavasti kuivuessaan. Saven kutistumisen voikin helposti havaita esimerkiksi kuivan savimaan halkeilemisena. Kostutetusta savesta muodostuu taikinamainen muovailtava ja tarttuva seos, joka aiheutuu hiukkasten suomumaisesta muodosta; näiden hiukkasten suuruus voi olla vain 0,005 mm. Hiekkarakeiden pinnalle asettuessaan kostuneet suomut pyrkivät kerrostumaan samansuuntaisesti ja vetäytymään pintajännitysvoimien vaikutuksesta silloiksi hiekkarakeiden välille. Savisideaineisen kaavaushiekan karkea koostumus: Perushiekkaa % Sideainetta 4-10 % Lisäaineita 0-10% Kostutusvettä 2-7 % Kuva. Hiekkasillat Kuva. Eräs tuorehiekan koostumus Raimo Keskinen, Pekka Niemi Savisideaineet - 1

2 Suomessa esiintyvät savet ovat nuoria savia jotka ovat syntyneet jääkauden jälkeen. Nämä ovat enimmäkseen kallioperän hienoksi jauhautuneita kivennäisiä, jotka eivät ole kemiallisesti kerinneet juuri muuttumaan. Niiden sitomiskyky on heikko ja sulaminen alkaa jo 1200 ⁰ C:ssa. Vanhat savimaalajit, kuten bentoniitti ja kaoliinit, koostuvat kemiallisen rapautumisen tuloksena syntyneistä savikivennäisistä, joita ei enää tavata Suomen kallioperässä. Näitä tuodaan mm. Yhdysvalloista ja Kreikasta. Kreikassa Milos-saarella on Euroopan suurimmat tunnetut bentoniittiesiintymät. Kuvat. Miloksen bentoniittilohos Bentoniiteilla on hyvä sitomiskyky ja tulenkestävyys. Kaoliinin sitomiskyky on bentoniittiin verrattuna vähäinen, mutta tulenkestävyys erittäin hyvä, mistä syystä sitä edelleen jonkin verran käytetään bentoniitin rinnalla valimoissa. Bentoniitit menettävät kuumetessaan varsinaisen kidevetensä lämpötilassa ºC. Tällöin, kun savi on menettänyt kidevetensä (vettä, jota esiintyy suolan kidehilassa) Vesimolekyylit ovat ioni-dipolisidoksin kiinnittyneet suolan komponentteihin ja samalla menettäneet sitomiskykynsä, sanotaan sen palaneen kuolleeksi eli se on perkipalanutta. Valajaa kiinnostaakin, missä lämpötilassa ja kuinka nopeasti savisideaineet menettävät kidevetensä. Tämän perusteella voidaan päätellä savien elinikä, eli kuinka kauan ne pitävät sitomiskykynsä valimon hiekkakierroissa (hiekan tätä ominaisuutta mitataan kokeella) Raimo Keskinen, Pekka Niemi Savisideaineet - 2

3 Bentoniitti Bentoniitin määrä kaavaushiekan sideaineena ei ole vakio, vaan se vaihtelee 0,5 2 %:n välillä. Tähän vaikuttavat mm. bentoniitin laatu sekä käytettävän hiekan karkeus. Kuivalla bentoniitilla ei ole minkäänlaista sitomiskykyä. Vasta seokseen lisättävä vesi tekee sen sitomiskykyiseksi. Sitomiskyky kasvaa vesimäärän lisääntyessä tiettyyn rajaan, minkä jälkeen se pienentyy. Lisäksi liian suuri vesipitoisuus aiheuttaa kaasuvikoja. Sopiva vesipitoisuus riippuu mm. bentoniitin määrästä ja laadusta. Kuva. Bentoniitipartikkelin kokovertailu Kuva. Vesipitoisuuden vaikutus erään bentoniittihiekan lujuuteen. Bentoniittilla tarkoitetaan savipohjaista kiveä, joka on syntynyt vulkaanisen tuhkan rapautumisen seurauksena. Bentoniitti- nimi on seurausta löytöpaikasta, joka on Yhdysvaltojen Fort Benton vuori. Bentoniitin erikoiset ominaisuudet ovat peräisin montmorilloniitti -savimineraalista, joka sekin on saanut nimensä löytöpaikkansa ranskalaisen löytökaupunkinsa mukaan. Montmorilloniitti on ns. monikerrossilikaatti. Nimitykset montmorilloniitti, smektiitti ja bentoniitti käytetään kuvaamaan turpoavia monikerrossilikaatteja. Kuva: Montmorilloniittikiteen koko Raimo Keskinen, Pekka Niemi Savisideaineet - 3

4 Kuva. Bentoniitin turpoaminen Monmorilloniitin ainutlaatuisiin ominaisuuksiin kuuluu mineraalin turpoaminen vedessä sekä mineraalin välikerroksessa olevien kationien vaihtomahdollisuutta. Nämä ominaisuudet antavat monmorilloniitti- pohjaisille saville monipuoliset käyttömahdollisuudet. Bentoniitti esiintyy siinä missä on hyvin vulkaanista toimintaa, eli hyvin monessa paikassa maapalloa. Bentoniitin mineraloginen koostumus vaihtelee kuitenkin suuresti ja siten myös bentoniitin tekniset käyttömahdollisuudet. Bentoniitti louhitaan ja hienonnetaan käsittelylaitoksessa, jonka jälkeen materiaali aktivoidaan (yleensä soodan avulla). Aktivoitu bentoniitti pidetään levitettynä avosäilytyksenä kuivamassa jossa kuivaus tapahtuu kerroksittain. Bentoniitteja on erityyppisiä. 1. Kalsiumenbentoniitti: Smektiittiryhmän välikerrokset koostuvat lähes yksinomaan Ca²+ tai Mg²+ -Ioneista 2. Natriumbentoniitti(luonnon): Smektiittiryhmän välikerrokset yksinomaan Na²+-ioneista. Välikerroksissa voi esiintyä myös vaihtelevia määriä Ca²+ tai Mg²+ -Ioneista 3. Aktivoitu kalsiumbentoniitti: Kalsiumbentoniitin, alkuperäiset välikerrosten katioinit on alkalisen aktivoinnin avulla korvattu Na²+-ioineilla (yleensä soodan avulla). Valimoteollisuus käyttää tänään lähes yksinomaan aktivoituja kalsiumbentoniitteja Raimo Keskinen, Pekka Niemi Savisideaineet - 4

5 Valimoteollisuuden bentoniitille asettamat vaatimukset nopea, hyvä dispergointikyky (muokkaantuminen, jolloin sitä sekoitetaan eli kaulitaan samalla vettä lisäten, nykyään suurpainesekoittimella) jonka seurauksena sekoitetun hiekan lujuusominaisuudet syntyvät nopeasti hyvä terminen kestävyys ts. bentoniitin kiderakenne tulee kestää muuttumattomana, tuhoutumattomatta mahdollisimman korkeissa lämpötiloissa. alhaiset hiekan lujuusominaisuudet valun jälkeen, jotta valukappaleet voidaan poistaa hiekasta aiheuttaen mahdollisimman pieniä hiekkahäviöitä Valimohiekasta määritellään bentoniittipitoisuus, jotta sitä voidaan säätää ja tällöin puhutaan Aktiivibentoniitista. Tämä määritellään metyleenisini- (VDG_Mergblatt P35) tai valonläpäisymenetelmällä. Tällöin käytetään vertailuna hiekkaseosta, jossa on tunnettu määrä bentoniittia. Yleensä aktiivibentoniitin määrä tuorehiekoissa on 6 % ja 10 % välillä. Koko aktiivibentoniittimäärä esiintyy tuorehiekkana lietepitoisuudessa (< 0,02mm). Bentoniittihiekkojen märkälujuus Muotin yläosan seinämiin syntyy valettaessa lämpötilagradientti, jonka jyrkkyys riippuu sulan säteilyn vaikutusajasta. Tällöin tuorehiekasta höyrystyy vettä, joka kondensoituu jonkin matkan päähän muotin pinnasta. Siihen muodostuu hyvin kostea vyöhyke, jonka lujuus on heikko. Hyvin sekoitettujen bentoniittien märkävetolujuudet vaihtelevat 0,40-0,50 N/mm². Kiertohiekkajärjestelmässä märkävetolujuus voi pudota alle 0,20 N/mm². Märkävetolujuuteen vaikuttaa hiekanvalmistus (laitteisto ja välineistö ja valmistustapa) bentoniittityyppi hienoaines suolan rikastuminen hiekkakiertojen lukumäärät Raimo Keskinen, Pekka Niemi Savisideaineet - 5