Оксиды натрия и калия служат плавнями. Они понижают температуру обжига.
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Общие сведения и классификация
Керамическими называются искусcтвенные каменные материалы и изделия, изготавливаемые из глин и других видов минерального сырья с добавками или без них. Их получают формованием, сушкой и обжигом при высоких температурах.
Обожженые керамические изделия начали получать около 5 тыс. лет до н.э. Вначале это была посуда.
Архитектурные детали, черепицу, водопроводные трубы, кирпич изготавливали в Древней Греции и в Древнем Риме. Из кирпича выполняли своды перекрытий, пролеты мостов, акведуки.
На территории Беларуси изделия из керамики появились в V в. до н.э.
В средние века в строительстве начали применять обоженные кирпич, черепицу.
Сохранились замки в Лиде (XIV в.), Новогрудке (XIV-XVI в.), Несвиже (XVI в.), Софийский собор в Полоцке (XVI в.), построенные из кирпича.
В современном строительстве керамические материалы и изделия применяют для возведения стен, облицовки фасадов и внутренних стен, устройства полов, кровель, устройства дренажа и канализаций, санитарных и других целей.
Керамические строительные материалы и изделия подразделяются по структуре и по назначению.
По структуре они бывают пористые и плотные. Пористые с водопоглощением по массе более 5 %, в среднем 8–20 %. Такую структуру имеют стеновые материалы, облицовочные плитки, черепицы, дренажные трубы. Плотные – с водопоглощением по массе менее 5 %, чаще всего 1–4 %. Они практически водонепроницаемы. К ним относятся плитки для пола, канализационные трубы и др.
По назначению керамические строительные материалы и изделия подразделяются на следующие виды: стеновые, облицовочные, санитарные, черепица, трубы, кислотоупорные, огнеупоры, заполнители для легких бетонов.
Сырьевые материалы
Сырьем для производства керамических материалов и изделий служат глины, трепел, диатомит и добавки.
Глины
Глинаминазываются осадочные горные породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое после высушивания обладает некоторой прочностью, а после обжига превращается в камневидное тело. Они образовались в результате выветривания, главным образом, полевошпатовых горных пород, гранитов, гнейсов и др., т.е. в результате воздействия перепадов температуры, воды, ветра, химического разложения. Состоят из глинистых минералов, представляющих водные алюмосиликаты: каолинита – Al2O3·2SiO2·2H2O, монтмориллонита – Al2O3·4SiO2·2H2O, гидрослюд.
Чистые глины, состоящие из каолинита, называются каолинами. Они содержат значительное количество частиц менее 0,01 мм. После обжига сохраняют белый цвет. Это первичные глины. Они преобладают в природе и применяются для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.
Вторичные глины образовались в результате переноса продуктов разрушения горных пород водой, ветром и отложения в новых местах. Они засорены песком, известняком, гипсом, органическими веществами и пр. В зависимости от степени засоренности их применяют для изготовления керамических плиток, труб, кирпича, керамзита.
Глины с повышенным содержанием монтмориллонита называют бентонитами.Дисперсность их высокая. Частиц размером менее 0,001 мм содержится 85–90 %. Отличаются высокой пластичностью.
Важнейшей характеристикой глин является химический состав, от которого зависит пригодность их для производства тех или иных изделий. Глина состоит из глинозема – Al2O3 (10--35 %), кремнезема – SiO2 (46--85 %); оксида железа (II) – Fe2O3 , оксида железа (III) – FeO, пирита – Fe2S (0,2–10 %); оксида кальция – CaO (0,03–6 %), диоксида титана – TiO2 (0,2–1,5 %), оксидов щелочных металлов – Na2O, K2O (0,1–6 %), сернистого ангидрида – SO3 (0–0,5 %).
Важнейшей составной частью глин является глинозем.Он оказывает наибольшее влияние на свойства керамических изделий. С увеличением количества глинозема повышается пластичность, огнеупорность и прочность изделий. При содержании глинозема менее 6-8 % получить керамические материалы невозможно.
Кремнезем является преобладающим в глинах. Он может находиться, как в связанном, так и в свободном состоянии в виде кварцевого песка. Запесоченные глины имеют низкую пластичность, а изделия из них – малую механическую прочность и низкую морозостойкость.
Оксид кальция и оксид магния сокращают период спекания глин и ухудшают условия обжига керамических изделий.
Оксиды натрия и калия служат плавнями. Они понижают температуру обжига.
Оксиды железа и пиритвлияют на температуру спекания черепка. Наиболее плотный черепок получается при наличии в глине оксида железа (III) FeO. Оксид железа (II) Fe2O2 влияет на цвет изделий. При содержании его в глинах 1,5 % - цвет почти белый, 4 % - желтый, 8,5 % - красный, при 10 % - темно-красный.
Важнейшим свойством глины является пластичность, связующая способность, воздушная и огневая усадка, огнеупорность, спекаемость.
Пластичностьюназывается свойство глины при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, способное принимать любую форму. Она характеризуется числом пластичности П, которое определяется по разности влажности в процентах между нижней границей текучести (Wт) и границей раскатывания глины (Wр) П = Wт–Wр.
По пластичности глины подразделяются на высокопластичные с числом пластичности П более 25, среднепластичные с П 15--20, умереннопластичные с П 7–15, малопластичные с П 3–7 и непластичные. Пластичность зависит от гранулометрического состава и дисперсности.
Чем больше в глине глинистой фракции, монтмориллонита, тем она пластичнее и легче формуется. Пластичность можно увеличить обработкой в глиномялках, добавкой высокопластичных глин, лигносульфонатов, применением специальных приемов – вылеживанием, отмучиванием, вакуумированием, обработкой паром; уменьшить – введением отощающих материалов.
Керамические строительные изделия изготавливают из умеренно пластичных глин. Малопластичные глины плохо формуются, среднепластичные и высокопластичные при сушке растрескиваются и требуют введения отощителей.
Связующей способностьюназывают свойство глинсохранять пластичность при введении в них непластичных материалов – песка, шамота и пр. Высокопластичные глины связывают 60–80 % нормального песка.
Усадкойназывается уменьшение размеров и объема образцов при сушке и обжиге. Воздушная усадка происходит в результате испарения воды в сырце и колеблется от 2 до 12 %. Воздушная усадка влияет на трещиностойкость изделий при сушке. Ее уменьшают. В состав формовочной массы вводят отощающие материалы, ЛСТ, вакуумируют. Огневая усадка происходит в результате плавления легкоплавких составляющих и сближения частиц глины. Она составляет 2–8 %.
Огнеупорностьюназывается свойство глин выдерживать высокие температуры, не расплавляясь. Глинистые материалы не имеют определенной температуры плавления. Из-за своей полиминеральности они плавятся в некотором интервале температур. Условно за огнеупорность принимают температуру, при которой стандартный образец в виде пирамиды высотой 30 мм (пирометр) коснется вершиной подставки, на которую установлен.
По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные с огнеупорностью свыше 1580 °С, тугоплавкие – от 1350 до 1580 °С и легкоплавкие – меньше 1350 °С.
К огнеупорным относят каолинитовые глины с малым содержанием примесей, снижающих огнеупорность (кварца, полевых шпатов, оксидов железа и др.). Их применяют для изготовления огнеупорных изделий, фарфора, фаянса.
Тугоплавкие глины содержат по сравнению с огнеупорными большее количество примесей, влияющих на огнеупорность. Их применяют для изготовления тугоплавкого и лицевого кирпича, плиток для полов, канализационных труб.
Легкоплавкие глины содержат значительное количество примесей. Их применяют для изготовления кирпича, черепицы, легких заполнителей.
Спекаемостьюназывается способность глины при обжиге уплотняться и превращаться в камень. Увеличивается прочность и уменьшается водопоглощение изделий. Спекшийся черепок имеет водопоглощение менее 5 %, полностью спекшийся – не более 1–2 %.
При нагревании глин в глинообразующих минералах, добавках и примесях происходят сложные физико-химические процессы.
При температуре до 200 °С испаряется физически связанная вода, в интервале от 200 до 450 °С выгорают органические примеси и при 700–800 °С выгорают коксовые остатки. При нагревании каолинита до 500–600 °С удаляется химически связанная вода, каолинит переходит в безводный каолинитовый ангидрит (метакаолинит):
Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O → Al2O3 · 2SiO2 + 2H2O.
Керамическая масса теряет свои пластические свойства. Затем при 830–850 °С распадаются глинистые минералы на первичные оксиды:
Al2O3 · 2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2
и при температуре до 1000 °С возможно образование новых кристаллических силикатов–силлиманита
Al2O3 + SiO2 → Al2O3 ·SiO3,
который при 1200--1300 °С переходит в муллит:
3(Al2O3 · SiO2) → 3Al2O3 · 2SiO2 + SiO2,
оказывающий основное влияние на прочность, термостойкость и другие свойства изделий.
Начиная с 700 °С легкоплавкие соединения глины и минералы-плавни образуют расплав, обволакивающий нерасплавившиеся частицы. После остывания образуется прочный черепок. Этот процесс называется спеканием. Интервал между температурой полного спекания и началом деформации глины называется интервалом спекания. Чем он шире, тем меньше возможность деформации изделий при обжиге.
Карбонатные примеси при нагревании разлагаются. Выделяется СО2, а СаО с составляющими глины образует легкоплавкие стекла. Температурный интервал спекания снижается и ухудшаются условия обжига, что приводит к деформации изделий.
Железистые соединения Fe2O3 в восстановительной среде при температуре ниже 1000 °С восстанавливаются в закисные формы FeO. Получаются легкоплавкие железистые стекла, которые уплотняют черепок.
Легкоплавкие глины обжигают при температуре 900--1000 °С. Их интервал спекания составляет 100 °С. Применяются они для изделий с пористым черепком. Огнеупорные и тугоплавкие глины имеют интервал спекания более 100 °С. Их обжигают при температуре 1150–1400 °С и применяют для изделий с плотным спекшимся черепком.
Диатомит и трепел
Диатомит представляет собой рыхлую или слабосцементированную осадочную горную породу, состоящую из аморфного кремнезема. Он обрпхзовался из панцирей морских животных – диатомей.
Трепел более раннего происхождения. В нем панцири – диатомей превратили в зерна опалового кремнезема.
Диатомит и трепел применяют для изготовления кирпича, теплоизоляционных изделий.
Добавки
Для улучшения свойств керамических материалов и изделий вводятся добавки – отощающие, выгорающие, обогащающие и плавни.
К отощающимдобавкам относят кварцевый песок, шамот, дегидратированную глину, бой керамических изделий, шлак, золу. Их вводят в высокопластичные глины, чтобы уменьшить усадку изделий и образование трещин при термической обработке.
Хорошим природным отощителем служит кварцевой песок. Для тонкой керамики применяют жильный кварц и кварциты.
Шамот получают обжигом огнеупорных и тугоплавких глин с последующим измельчанием до частиц размером 0,14—2,0 мм. Его применяют при изготовлении тонкой керамики и огнеупорных материалов.
Дегидратированную глину получают обжигом глины при 600--800 °С. Она теряет пластические свойства. После измельчения ее добавляют в состав формовочной массы при изготовлении стеновой керамики в количестве 30–50 %.
К выгорающимдобавкам относят древесные опилки, угольный и торфяной порошки, отходы добычи угля. Их вводят для повышения пористости изделий. Кроме того, они способствуют обжигу изделий, снижают расход топлива. Одновременно они являются отощающими добавками.
К обогащающим и пластифицирующимдобавкам относят высокопластичные глины, лигносульфонаты, лигнин. Их вводят для увеличения пластичности, улучшения формовочных свойств глин. Лигнин одновременно является и выгорающей добавкой.
К плавням относят молотый полевой шпат, железные руды. Их применяют для повышения плотности, прочности, уменьшения водопоглощения изделий. Имея более низкую температуру плавления, чем глина, они понижают температуру обжига изделий.
Кроме перечисленных добавок при изготовлении теплоизоляционной керамики в состав массы могут вводиться легкие пористые заполнители – вспученный перлит, полистирол, газо- и пенообразователи. В глины, содержащие растворимые соли, вводят виттерит – карбонат бария, предотвращающий выцветы.