2 Керамические материалы

2.1 Общие сведения

Керамическими называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких температурах.

В современном строительном производстве керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений. Их классифицируют по ряду признаков:

По назначению:

- стеновые (кирпич и керамические камни);

- кровельные (черепица);

- дорожные;

- теплоизоляционные;

- огнеупорные;

- кислотоупорные;

- санитарно-технические изделия (умывальники, унитазы и трубы);

- изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, мозаичные плитки и др.);

- для полов (плитка для полов и элементы мощения),

- для перекрытий и др.

По температуре плавления:

• легкоплавкие (ниже 1350 ^оС);

• тугоплавкие (1350 ^оС - 1580 ^оС);

• огнеупорные (1580 ^оС - 2000 ^оС);

• высшей огнеупорности (более 2000 ^оС).

По структуре:

• с плотным черепком, имеющие водопоглощение по массе менее 5% (фаянс, фарфор, плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др.);

- с пористым черепком, имеющие водопоглощение по массе более 5% (стеновые кирпичи и камни, кровельные, облицовочные материалы и др.)

По качеству переработки сырья:

- грубая (кирпич, черепица, плитки фаянсовые и для полов);

- тонкая (фарфор и полуфарфор).

2.2 Сырье для производства керамических материалов

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Основным сырьем для производства керамических материалов служат глины и каолины.

Каолины состоят преимущественно из минерала белого цвета - каолинита Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O, имеющего частицы менее 0,01 мм; они малопластичны, характеризуются тугоплавкостью, после обжига сохраняют белый цвет.

Глины характеризуются разнообразным минеральным составом: помимо каолинита состоят из родственных ему минералов - монтмориллонита Al₂O₃.4SiO₂.nH₂O и галлуазита Al₂O₃.2SiO₂.4H₂O, а также минеральных и органических примесей.

Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита, имеющего частицы размером менее 0,005 мм, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу. Такие глинистые породы называют бентонитами, содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90% [1].

Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье классифицируют:

- по огнеупорности;

- по содержанию А1₂О₃;

- по содержанию красящих оксидов (Fe₂О₃, ТiO₂,);

- по содержанию водорастворимых солей;

- по минеральному составу;

- по содержанию тонкодисперсных фракций;

- по содержанию крупнозернистых включений;

- по пластичности;

- по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;

- по спекаемости;

- по содержанию свободного кремнезема.

2.3 Свойства глин как сырья для керамических изделий

Пластичность - свойство глины во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму после прекращения действия усилий. Пластичность обусловлена образованием тонких слоев воды между пластинчатыми частицами глины, способствующих набуханию глины и скольжению частиц друг относительно друга без потери связности. Степень пластичности зависит от гранулометрического, минерального состава глин, формы частиц, содержания примесей и количества воды. Чем больше в глине содержание мельчайших частиц (менее 0,005 мм), тем она пластичнее. Пластичность характеризуется числом пластичности - Пл (разность влажностей, соответствующих пределу текучести глины и пределу раскатывания глиняного жгута). Для производства хороши умеренно пластичные глины (Пл = 7-15%). Малопластичные глины (тощие) с Пл<7% плохо формуются, а средне - (Пл =15-25%) и высокопластичные (Пл>25%) глины дают большую усадку при сушке, растрескиваются и требуют отощения.

Связность - способность глиняного теста связывать зерна непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец. Характеризуется степенью связности – усилием, необходимым для разъединения частиц глины.

Воздушная усадка - уменьшение размеров и объема сырца при его сушке за счет испарения свободной воды; она колеблется от 2 до 12% и может быть уменьшена введением отощителей и поверхностно-активных веществ, сокращающих формовочную влажность глин.

Огневая усадка - изменение размеров и объема изделий в процессе обжига, обусловленное расплавлением легкоплавких составляющих глин и сближением частиц глины между собой; она составляет от 2 до 8 % и тем выше, чем больше температура обжига. Полная усадка равна сумме воздушной и огневой.

Огнеупорность - свойство глин (и изделий из них) выдерживать воздействие высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности различают огнеупорные (не ниже 1580⁰С), тугоплавкие (1350-1580⁰С) и легкоплавкие (ниже 1350⁰С) глины.

Спекаемость - свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. Интервал между температурой начала спекания и температурой, при которой появляются первые признаки пережога, называется интервалом спекания. Чем он больше, тем легче управлять процессом обжига, тем меньше опасность деформаций изделий.

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие физико-механические изменения. Сначала испаряется свободная вода (до 200⁰С), затем выгорают органические примеси (300-400⁰С). При температуре 500-600⁰С удаляется химически связанная вода из глинистых минералов, так из каолинита образуется безводный метакаолинит Al₂O₃.2SiO₂, который при 700-800⁰С разлагается на отдельные оксиды (образуется так называемый твердый раствор). С повышением температуры до 900⁰С и выше оксиды SiO₂ и Al₂O₃ вновь соединяются, но в других соотношениях, образуя новый искусственный минерал муллит 3Al₂O₃.2SiO₂. Муллит придает обожженному керамическому черепку водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита переходят в расплав легкоплавкие составляющие глины, которые скрепляют кристаллы муллита, цементируют и упрочняют материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950-1050⁰С. Дальнейшее повышение температуры ведет к появлению пережога («железняк»), характеризующегося повышенной плотностью изделий, темным фиолетово-бурым цветом, иногда оплавленной поверхностью и деформированием изделий. Соответственно недожог характеризуется незавершенностью процессов обжига, пониженной прочностью, водо- и морозостойкостью; изделия имеют алый оттенок [1].

Природные глины в чистом виде применяются редко, чаще - в смеси с добавками различного назначения:

- отощающие добавки вводятся для понижения пластичности и уменьшения усадки глины при сушке и обжиге:

Шамот изготовляют обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000…1400°С. Его применяют как отощитель керамических масс, при производстве облицовочных плиток, фарфора и фаянса, шамотных огнеупоров;

Дегидратированная глина получается нагреванием обычной глины до 600…700°С, когда та теряет пластичность при удалении химически связанной воды. Ее применяют чаще в производстве грубой строительной керамики. Это позволяет снизить сроки сушки без появления трещин на изделиях;

дегидратированная глина, шлаки, золы, кварцевый песок;

Кварцевые материалы – жильный кварц, кварцевые пески и кремень. Они состоят из кремнезема и являются отощителями из-за способности не давать усадку при сушке и обжиге;

- выгорающие добавки выгорают в процессе обжига почти целиком (за исключением зольной части):

Древесные опилки вводятся в массу для улучшения сушильных свойств полуфабриката (сырца). В обжиге они выгорают, оставляя в керамике относительно крупные поры, увеличивающие водопоглощение кирпича, теплоизоляционные свойства, но снижающие морозостойкость.

Антрацит и тощие каменные угли добавляют в глину до 60% от требуемого на обжиг объема топлива, или 2…2,5% от объема глины. В таких количествах каменный уголь оказывает небольшое влияние на пористость кирпича. Основное его назначение – создать восстановительную среду в толще обжигаемого материала. Это интенсифицирует процесс спекания и упрочнения керамики. В изломе кирпича, полученного из глины и угля, видна темно-малиновая уплотненная зона, повышающая его прочность.

Бурые угли добавляют в глину с той же целью. При их использовании увеличивается недожог кирпича вследствие улетучивания горючих веществ при температурах ниже температуры их воспламенения. Выделение тепла и газов происходит более равномерно и в более широком температурном интервале, чем при вводе антрацита, поэтому почти не возникает пережог кирпича, и его обжиг можно вести более уверенно.

Золы ТЭЦ также используются в качестве добавок в глину при производстве кирпича. Они действуют как отощители, а при наличии в золе недожога – невыгоревшего остатка кокса – как выгорающие добавки.

- плавни – это материалы, взаимодействующие в обжиге с глинистыми минералами с образованием более легкоплавких соединений. Они улучшают степень спекания и снижают температуру обжига:

Полевые шпаты широко применяемые в производстве тонкой керамики.

Доломит – двойная соль СаСО₃·МgСО₃. Разновидности доломита используются как заменители мела и мрамора в производстве изделий тонкой керамики. Он оказывает на керамические массы более сильное флюсующее действие, чем чистые СаСО₃ и МgСО₃, что позволяет снизить температуру обжига масс и глазурей.

Тальк 4SiО·3МgO·Н₂O имеет огнеупорность 1500…1520°С. Чаще всего он применяется в тонкой керамике, включая изделия специального назначения;

- пластифицирующие добавки используют для повышения пластичности сырьевых смесей без увеличения расхода воды. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

На некоторые виды керамических изделий для улучшения технических свойств и в декоративных целях наносят различного рода покрытия.

Различают виды покрытий:

- Глазурь – это тонкое (0,1…0,3 мм) стекловидное покрытие поверхности керамического изделия. Разновидности глазурей: по цвету – бесцветные и окрашенные, одноцветные и многоцветные, прозрачные и глухие.

По степени блеска различают глазури глянцевые и матовые, по способу приготовления – сырые и фриттованные.

По температуре плавления (разлива) бывают легкоплавкие для – температур обжига 900…1100°С и тугоплавкие – до 1350°С, по назначению – фарфоровые, фаянсовые и майоликовые, соответственно виду керамических изделий, для покрытия которых они предназначены. Иногда глазури именуют по названию основных компонентов, входящих в их состав: полевошпатовые, свинцовые, борные, циркониевые, стронциевые.

- Ангоб – это светложгущееся керамическое покрытие, наносимое на сырец из легкоплавких глин для получения после обжига керамики белого и светлого тона. Ангобы наносят поливом или пульверизацией. Ангобирование применяют при изготовлении лицевого кирпича и в качестве подглазурного слоя, маскирующего цвет керамической основы, для изделий художественной керамики.