Властивості будівельної кераміки

До виробів будівельної кераміки пред'являють різноманітні вимоги відповідно тим впливам, які вони відчувають у процесі експлуатації. В основному це вимоги до водопоглинення, морозостійкості, термічної стійкості, хімічної стійкості, механічної міцності, водопроникності, стійкості до стирання та радіаційного випромінювання.

У значній мірі ці властивості обумовлюються щільністю й пористістю матеріалу.

Щільність – величина, яка дорівнює відношенню маси тіла до об’єму, що ним заповнений (кг/м³). Розрізняють середню, істинну й насипну щільність матеріалу.

Середня щільність – _т визначається відношенням маси тіла - т або речовини до усього об’єму V, що ним займається ними, включаючи наявні в них пустоти і пори. Середня щільність виробів будівельної кераміки знаходиться в межах 1700 - 2400 кг/м³.

Істинна щільність – _і, межа відношення маси до об'єму, коли об'єм стягається до точки, у якій визначається щільність тіла або речовини (тобто без урахування наявних у них пустот і порожнин). Істинна щільність керамічних матеріалів знаходиться в межах 2200 - 2500 кг/м³.

Рис. 1.1. Класифікація керамічних виробів

Насипна щільність - _m, відношення маси зернистих матеріалів, матеріалів у виді порошку до усього об’єму, що ним заповнюється, включаючи і простір між частками.

Пористість матеріалу – ступінь заповнення його об'єму порами. Її визначають відношенням різниці між істинною щільністю і його середньою щільністю до істинної щільності. Виражається пористість у відсотках.

Пори, наявні в кераміці, бувають закритими, недоступними для проникнення в них рідини та гасу, тупиковими, що заповнюються рідиною або газом, але не впливають на проникність кераміки, та такими, що утворюють канали, відкритими з обох кінців, що створюють порові канали. Проникність кераміки обумовлюється порами, що створюють канали, при наявності на їхніх кінцях перепаду тиску.

Водопоглинення – спроможність матеріалу вбирати та утримувати у своїх порожнинах воду. Вона характеризується відношенням, вираженим у відсотках, маси води, поглиненої цілком зануреним у воду зразком, до маси того ж зразка, висушеного до постійної маси. Між пористістю та водопоглиненням прямої залежності немає, тому що при визначенні водопоглинення не всі пори матеріалу насичуються водою. У керамічному черепку існують закриті та дрібні пори (діаметром менше 1 мкм), що можуть не заповнюватися водою при насиченні. Проте для деяких виробів будівельної кераміки пористість черепка виробу приблизно у два рази більше його водопоглинення.

Гігроскопічність — здатність матеріалу поглинати водяні пари з атмосфери. Гігроскопічність залежить від виду матеріалу та характеру його пористості. Вона визначається як відношення маси вологи, поглиненої матеріалом із повітря, до маси сухого матеріалу.

Водопроникність – спроможність матеріалу пропускати через себе воду під тиском. Вона характеризується часом, протягом якого через виріб або його стінки проникає вода, підведена до протилежної поверхні виробу або до його стінки. Водопроникність керамічного черепка регламентується тільки для хімічно стійких керамічних виробів і каналізаційних труб. Її припустима величина визначається умовами служби цих виробів при експлуатації. Водопроникність керамічних виробів залежить від пористості черепка та розподілу пор за розмірами.

Хімічна стійкість – спроможність виробів опиратися дії агресивних середовищ. Розрізняють кислотостійкість (стійкість до дії кислот) і лугостійкість (стійкість до дії лугів).

Міцність – спроможність матеріалу протистояти руйнації від дії напруг, що виникають у ньому під впливом прикладеного навантаження. Міцність характеризується межею міцності при стиску, розриві, вигині. При стиску зовнішні сили прагнуть зблизити між собою елементарні частки матеріалу, при розтяганні — віддалити їх одну від іншої. Міцність характеризується межею міцності, тобто найбільшою напругою, при якій відбувається руйнування матеріалу. У залежності від характеру додатка навантаження розрізняють межу міцності при стиску та розтяганні.

Міцність виробів будівельної кераміки визначають руйнацією спеціальних зразків або цілих виробів. Міцність керамічних виробів залежить від їхнього складу та пористості, при цьому зі збільшенням пористості (або водопоглинення) міцність, звичайно, зменшується. Межа міцності керамічних виробів при стиску 25...500 МПа, при вигині 10...70 МПа. Окрім міцності при стиску та вигині, визначають ударну міцність (в'язкість), твердість та зносостійкість керамічних матеріалів.

Ударна в'язкість керамічного матеріалу характеризується межею міцності при дії ударних навантажень. Ударна в'язкість — один із найважливіших експлуатаційних показників керамічних виробів, тому що він визначає здатність матеріалів не давати тріщин і не руйнуватися під впливом ударних навантажень. Оцінюється роботою руйнування надрізаного зразка при ударному вигині, віднесеної до площі його перетину в місці його надрізу; виражається у Дж/м².

Твердість — здатність матеріалу чинити опір вдавленню у нього іншого більш твердого матеріалу. Твердість характеризує міцність поверхневих шарів матеріалу.

Стійкість до стирання (зносостійкість) – спроможність матеріалу чинити опір абразивному впливові інших речовин. При цьому матеріал зменшується в об'ємі та втрачає масу під дією зусиль, що стирають.

Деформативність – спроможність змінювати розміри під дією зовнішніх навантажень або температури. Деформації керамічних матеріалів можуть бути пругкими, або пластичними. Пругкі деформації (зміна розмірів) – це такі деформації, які зникають після припинення дії навантаження на матеріал, пластичні деформації не зникають після припинення дії навантаження на матеріал.

Термічна стійкість — здатність керамічних матеріалів протистояти руйнуванню при нагріванні або охолодженні, коли в матеріалі в результаті термічних напруг виникають мікро тріщини, що знижують міцність виробів або приводять до їхнього руйнування. Термічна стійкість керамічних матеріалів залежить від їх фізико-хімічних і механічних властивостей, форми та розміру виробів, умов їхнього нагрівання та охолодження.

Морозостійкість – спроможність матеріалу, в насиченому водою стані, витримувати багатократне перемінне заморожування в повітряному середовищі та відтаювання у воді без видимих ознак ушкоджень.

Керамічні вироби при зміні температури у процесі експлуатації піддаються тепловому розширенню (лінійному та об'ємному), що визначається температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР). ТКЛР характеризує відносна зміна лінійних розмірів зразків керамічного матеріалу при їхньому нагріванні на 1°С.

ТКЛР - один із найважливіших показників керамічних матеріалів і глазурей. Тільки при відповідності ТКЛР черепка виробу й глазурі можна одержати якісні вироби, у противному випадку з'являються тріщини на глазурі (якщо ТКЛР черепка більше ТКЛР глазурі) або відбувається її відшаровування (якщо ТКЛР черепка менше ТКЛР глазурі).

Теплоємність – здатність матеріалу поглинати теплову енергію при нагріванні. Теплоємність характеризується кількістю теплоти, яку необхідно підвести до тіла, щоб підвищити його температуру на 1°С.

Теплопровідність — здатність матеріалу пропускати теплоту через свою товщу від однієї своєї поверхні до іншої. Вона залежить від фізико-хімічних властивостей матеріалу, його пористості, міцності та ін. З підвищенням теплопровідності збільшується термостійкість матеріалу.

Фізико-хімічні властивості керамічних виробів залежать від складу та структури матеріалу їхнього черепка, із якого вони виготовлені, і глазурі, що їх покривають.

Під структурою керамічного матеріалу розуміють особливість його будівлі, що визначається розміром і формою зерен, їхнім розподілом і контактом між собою, кількісними і якісними параметрами фазового складу, пористістю.

Фазовий склад – це кількісне співвідношення кристалічної, склоподібної та газової фаз у структурі матеріалу виробу, що впливає на його фізико-технічні властивості.

Кристалічна фаза, наприклад, твердого фарфору, складається в основному (15...30%) із муліту (ЗА1₂О₃2SiО₂) зерен кварцу, який не прореагував (8...10%) і кристобаліта – різновиду кварцу, що утворився під дією високих температур (6...10%). Кристали муліту складають основу (кістяк) кераміки і забезпечують їх механічну міцність, водостійкість і малий температурний коефіцієнт лінійного розширення.

Склоподібна фаза твердого фарфору, що складає близько 60% усієї маси у фарфорі, являє собою кварц-польовошпатове скло, що утворилося в результаті плавлення часточок польового шпату та кварцу, що входять до складу вихідної маси. Склоподібна фаза фарфору - це маса, що проросла дрібними довгастими кристалами муліту. Склоподібна фаза знижує білизну та термостійкість виробів, але сприяє підвищенню їхньої прозорості.

Газова фаза - третя складова структури фарфорового черепка, що заповнює всі закриті пори (2...4%), що маються в матеріалі. Причинами утворення газової фази служить повітря у порах, газоподібні продукти реакцій розкладання органічних і інших речовин, що входять до складу матеріалів, у процесі випалу.