6. АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА

Potemkin Monkey Jungle Adventure

Game: Perform tasks and rest cool.6 people play!

Play game

6.1. Состав, структура и свойства строительной керамики

В общем смысле керамикой принято называть тугоплавкие неорганические неметаллические материалы, обладающие комплексом заданных свойств и полученные путем спекания заранее подобранной шихты или иным способом. В строительстве керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе высокотемпературной обработки (обжига) глинистого сырья с добавками. Различают керамику тонкую (тонкозернистую - фаянс и фарфор) и грубую, или крупнозернистую. 

Химический состав керамики: SiO2 – 40…80 %; Аl2О3 – 8…50 %; Fе2O3 – 0…15 %; CaO – 0,5…25 %; MgO – 0…4 %; R2O - 0,3…5 %. В зависимости от состава цвет керамики колеблется от нежно-бежевого до темно-бурого.

Фазовый состав: керамика относится к кристаллическим материалам, однако содержит и небольшое (до 5 %) количество аморфной (стекловидной) фазы. По содержанию газовой фазы (пор) делятся на пористые с водопоглощением по массе более 5 % (керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы) и плотные. Минералогический состав полиминеральный: главным образом муллит и кварц, силлиманит и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов).

В отличие от плавленых материалов (стекла и металлов), по своему строению керамика относится к классу композиционных материалов, то есть является гетерогенной полимасштабной системой. На макроскопическом уровне керамика состоит из твердофазового скелета, который называют керамическим черепом. В пористых изделиях в твердофазовом скелете размещаются макро- и микропоры, заполненные воздухом и/или влагой. При этом пористость может достигать 90 % (пенокерамика). Спекшийся (плотный) череп имеет только микропоры в небольшом количестве (поэтому его водопоглощение по массе менее 5 % - это клинкерный кирпич, облицовочные плиты). В свою очередь, керамический череп грубой керамики представляет собой композит, в котором пылевидные и песчаные частицы омоноличены остывшим расплавом. Остывший расплав в свою очередь представляет собой микрокомпозиционный материал, состоящий из кристаллических зерен минералов, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов), объединенных в единое целое прослойкой непрерывной стекловидной фазы. Стекловидная, аморфная фаза (переохлажденная жидкость) представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава. То есть, в отличие от стекла, при производстве керамики в расплав переходит не вся масса, а только небольшая ее часть из глинистых частиц. Собственно стекла в составе керамики не более 5 %, но в основном оно и придает связность этому материалу. 

На атомно-молекулярном уровне структура представляет собой совокупность кремнекислородных и алюмокислородных тетраэдров (анионов), объединенных с катионами металлов кальция, магния, железа и т.д. 

Истинная плотность керамических материалов 2,5…2,7 г/см3; средняя плотность плотного черепа 2000…2300 кг/м3; теплопроводность абсолютно плотного черепка 1,16 Вт/(м·°С). Водопоглощение керамических материалов в зависимости от пористости меняется в пределах от 0 до 70 %. Теплоемкость керамических материалов 0,75…0,92 кДж/(кг·°С). По сравнению с металлами керамика имеет повышенную огнеупорность вплоть до высшей огнеупорности.

Предел прочности при сжатии самого распространенного представителя строительной керамики составляет от 7,5 до 70 МПа. А прочность технической керамики может достигать 1000 МПа. Прочность при изгибе 0,7…5 МПа - на порядок меньше прочности при сжатии из-за того, что керамика обладает низкой трещиностойкостью. Это главный ее недостаток по сравнению с металлами.

 

6.2. Основы технологии керамических изделий 

Основные этапы производства: добыча сырьевых материалов (глинистого сырья, состоящего из глинистых, пылевидных и песчаных частиц), подготовка массы, формование изделий (сырца), их сушка при 60…70 С и обжиг при 900…1100 С. В процессе обжига происходит спекание черепа – легкоплавкие глинистые частицы расплавляются, образовавшийся расплав обтекает нерасплавившиеся частицы и при остывании затвердевает, объединяя все частицы в монолитный прочный водостойкий камень.

Сырьем для производства строительной керамики служит глинистое сырье с добавками или без них. Глинистое сырье (глины и каолины) - продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. В гранулометрический состав входят глинистые частицы размером до 0,005 мм, пылевидные частицы с размерами зерен 0,005…0,05 мм и песчаные частицы с размерами зерен 0,05…2 мм. Минералогический состав глин: глинистые частицы состоят   из  вторичных   минералов (каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, монтмориллонит Al2O3·4SiO2·4H2O, гидрослюды); пылевидные и песчаные включают в себя кварц, полевой шпат, слюды и др. 

Наиболее ценным компонентом глинистого сырья являются глинистые частицы, представляющие собой мельчайшие чешуйки минералов. Именно глинистые частицы обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму (частицы имеют форму пластин, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности). А при обжиге расплавляться и при остывании образовывать монолитный прочный водостойкий камень. Технологические свойства глинистого сырья: пластичность, воздушная и огневая усадка, плотность, пористость, прочность, трещиноватость и цвет керамического черепка, которые зависят от содержания глинистых частиц. 

Добавки к глинам

Для снижения высокой усадки при сушке и обжиге "жирных" глин и предотвращения деформаций и трещин в изделиях в сырье вводят отощающие добавки. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок, череп (брак обожженных изделий).

С целью повышения пластичности "тощих" глин при меньшем расходе воды вводят пластифицирующие добавки. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества. 

Для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий вводят порообразующие добавки. К ним относятся: выгорающие добавки (древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль, эти добавки являются одновременно и отощающими), газообразователи и пенообразователи.

С целью снижения температуры обжига керамики вводят плавни. К ним относятся: полевые пшаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

Специальные добавки. Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).

Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом. Глазурь - стекловидное покрытие толщиной 0,1…0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными) различного цвета. Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом. Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

 

Подготовка глин и формование изделий

Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород, непригодных для производства

.

Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий, поэтому глины подготавливают путем естественной и (или) механической обработки. Естественная обработка – вылеживание глины в течение 1-2 лет при увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. При этом глина измельчается, глинистые частицы разделяются друг от друга. Вымываются вредные примеси. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием: глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др.).

Сушка изделий

Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5…6 % во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Прежде при производстве кирпича сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2…3 недель в зависимости от климатических условий. В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя - отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120 – 150 °С. Температура в сушилке – около 90 °С.

Обжиг изделий

Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Интервал температур обжига большинства керамических изделий лежит в пределах от 900 °С до 1100 °С. При этой температуре легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни превращаются в расплав, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает и после остывания придает изделию камневидное состояние, водостойкость и прочность. 

Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. 

После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и проч-

ность. Это явление называется спеканием, а свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин.  

Обжиг осуществляется, как правило, в печах непрерывного действия (туннельных, раньше – кольцевых) и редко – периодического действия. Кольцевые печи сейчас не строят вследствие большой трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ, но существующие еще эксплуатируют. 

 

6.3. Номенклатура и применение изделий строительной керамики По назначению керамические изделия подразделяют на следующие виды: 

1.                  Стеновые для кладки стен:  кирпич и камни керамические;  крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней. 

2.                  Отделочные (облицовочные) для наружной и внутренней облицовки зданий и сооружений с целью декоративно-художественной отделки и повышения их долговечности:  - кирпич и камни лицевые 

-  крупноразмерные облицовочные керамические плиты 

-  плитки керамические фасадные и ковры из них 

-  плитки для внутренней облицовки стен 

3.  Для полов: метлахские плитки; керамогранит.

4.  Кровельные (черепица).

6.                  Заполнители для бетонов (керамзит, аглопорит).

7.                  Теплоизоляционные (ячеистая керамика, пенокерамика).

8.                  Дорожные (клинкерный кирпич, дорожная плитка).

9.                  Санитарно-технические (умывальники, унитазы, сливные бачки, биде, писсуары, раковины). 

10.              Трубы керамические (канализационные и дренажные).

11.              Специальные (кирпич для дымовых труб и кислотоупорные изделия)