Обжиговые керамические строительные материалы и изделия

 

Общие сведения

 

Керамические материалы – искусственные каменные материалы, полученные в процессе обжига (900...1300 ^оС) предварительно отформованных высушенных изделий из глиняных масс или из их смесей с минеральными добавками.

В результате обжига глиняная масса превращается в искусственный камень, обладающий высокой прочностью, плотностью, водостойкостью, морозостойкостью и долговечностью.

Керамика является одним из первых искусственных каменных материалов, который человек изготавливал, а не брал готовым из природы. Начало керамического производства относится к XII...XV веку до н.э.

Первые керамические изделия изготавливали для бытовых нужд и значительно позже − для строительных целей: возраст обожженного глиняного кирпича составляет около 5000 лет. Долгое время основным сырьем для производства строительных керамических изделий была глина. В настоящее время кроме глины можно изготавливать керамические изделия из масс, не содержащих глину. В этом случае в качестве сырья, например для производства кирпича, можно использовать золы ТЭС, кремнистые породы. Для производства огнеупоров используют кварцит, магнезит, кокс, карбид кремния и др.

Появились и абсолютно новые композиционные керамические материалы, например, металлокерамические композиции (керметы) и волокнистые композиции, состоящие из металлической матрицы и керамических волокон или нитевидных кристаллов на уровне наночастиц.

Современная промышленность строительных материалов выпускает широкий ассортимент керамических материалов и изделий, позволяющих использовать их во всех частях зданий и сооружений − от фундамента до кровли.

По степени спекаемости и пористости керамические изделия, оцениваемые по их водопоглощению, подразделяются на пористые с водопоглощением черепка более 5 % и плотные (спекшиеся) с водопоглощением менее 5 %, не пропускающие воду.

 

Таблица 6.1

 

Классификация изделий строительной керамики

 

Структура керамики	Изделия строительной керамики
пористые с водопоглощением более 5 %	плотные (спекшиеся) с водопоглощением менее 5 %
Грубая	1. Стеновые: кирпич полнотелый, пустотный, пористый, лицевой; керамические камни, виброкерамические панели из кирпича и камней	1. Дорожные: клинкерный кирпич, тротуарная плитка, фигурный кирпич
2. Фасадные: плиты и плитки глазурованные и неглазурованные; ковровая мозаика	2. Изделия для полов: плитки, ковровая мозаика
3. Кровельные: неглазурованная и глазурованная черепица	3. Изделия для подземных сооружений: канализационные трубы
4. Изделия для перекрытий: специальные камни, балки и панели из них
5. Изделия для подземных сооружений: дренажные трубы

 

 

Окончание табл. 6.1

 

Грубая	6. Теплоизоляционные: ячеистая керамика; изделия из диатомита и трепела
7. Заполнители для легких (керамзит, аглопорит, термолит и др.) и тяжелых бетонов (керамдор и др).
Тонкая	1. Санитарно-строительные изделия из фаянсовых масс: умывальники, бачки, унитазы и др.	1. Санитарно-строительные изделия из фарфоровых масс: умывальники, бачки, унитазы и др.
2. Облицовочная керамика (для внутренних стен): фаянсовая плитка, плинтусы, детали

 

Изделия строительной керамики классифицируют по назначению, например, стеновые, дорожные, фасадные и другие (табл. 6.1).

Керамические материалы находят широкое применение в дорожном строительстве. Использование клинкерного кирпича и тротуарных плит в покрытиях дорог и тротуаров подчеркивает архитектурную выразительность городов. Строительный кирпич и камни, отделочные керамические материалы применяют при строительстве зданий и сооружений для обслуживания дорог. Бетоны на искусственных керамических заполнителях (керамдоре, керамзите, аглопорите и др.) используют для дорожных покрытий, конструкций мостов и пр.

 

Сырьевые материалы

 

Для производства строительных керамических изделий используют сырьевые смеси, состоящие из пластичного, или основного сырья (глинистого), и непластичного или добавочного, к которым относят отощающие, выгорающие добавки, плавни и др.

Глинами называют осадочные породы, образовавшиеся в результате глубокого выветривания (разрушения под воздействием физических, химических и биологических процессов) полевошпатовых горных пород - гранита, сиенита, гнейса и др.

Глины, оставшиеся на месте образования, называют первичными. Обычно они засорены примесями породы, из которой они образовались.

Вторичными (переотложенными) называют глины, перенесенные и отложенные в других местах. Такие глины наиболее распространены в природе.

Глины состоят из глинообразующих минералов (водных алюмосиликатов - со слоистой кристаллической структурой).

Важнейшими глинистыми минералами являются:

- каолинит Аℓ₂O₃ ∙2SiO₂ ∙2H₂O;

- монтмориллонит Аℓ₂O₃ ∙4SiO₂ ∙nH₂O и др.

Глинистые минералы определяют основную особенность глины - образовывать с водой пластичное тесто, способное в процессе высыхания сохранять приданную ему форму и после обжига приобретать свойства камня.

Пластичность − свойство глиняного теста деформироваться под нагрузкой без образования трещин и разрывов и сохранять приданную форму после снятия этой нагрузки.

В соответствии с ГОСТ 50298.1 пластичность глин выражается числом пластичности (П), которое определяется по формуле:

П = W₁ - W₂, % (6.1)

где W₁ - влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в текучее, называемая нижней границей текучести;

W₂ - влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в хрупкое, называемая границей раскатывания.

В зависимости от значений числа пластичности все глины подразделяются на высокопластичные с числом пластичности более 25; среднепластичные - от 15 до 25; умеренно пластичные - от 7 до 15; малопластичные - до 7; непластичные - не способные при затворении водой давать пластичное тесто.

Глинистые минералы при смачивании водой набухают вследствие того, что поглощаемая ими вода располагается между отдельными слоями их кристаллических решеток; при этом межплоскостные расстояния решеток значительно увеличиваются. При сушке глин происходит обратный процесс, сопровождающийся усадкой.

Под воздушной усадкой (линейной или объемной) понимают уменьшение линейных размеров и объема образца из глиняного теста при высыхании. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глины.

При обжиге глин после удаления гигроскопической влаги и выгорания органических примесей происходит разложение глинистых минералов. Так, каолинит при температуре 500-600 ^оС теряет химически связанную воду; при этом процесс протекает с полным распадом кристаллической решетки и образованием аморфной смеси глинозема Аℓ₂O₃ и кремнезема SiO₂. При дальнейшем нагреве до температур 900-950 ^оС возникают новые кристаллические силикаты, например муллит 3Аℓ₂O₃∙2SiO₂ и образуется некоторое количество расплава (жидкой фазы) вследствие плавления наиболее легкоплавких минералов, входящих в состав обжигаемых глиняных масс.

В процессе обжига под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы тверды частицы обжигаемого материала сближаются и объем его уменьшается, т.е. происходит огневая усадка. Огневой усадкой (линейной или объемной) называется уменьшение линейных размеров и объема высушенных глиняных образцов в процессе обжига.

Способность глины при обжиге переходить в камневидное состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объясняется следующим. При обжиге протекают химические и физико-химические процессы (удаление кристаллизационной воды, частичное разложение безводной глины на оксиды и образование новых водостойких и тугоплавких соединений), приводящие к изменению структуры глины. Частицы обезвоженной и видоизмененной глины спекаются, не переходя при этом полностью в расплавленное состояние. Спекание происходит за счет плавления легкоплавких примесей. Этот расплав склеивает, цементирует всю массу.

Термические свойства характеризуют изменения, происходящие в глинах при высоких температурах. Они определяются огнеупорностью, спекаемостью.

Огнеупорностью называют свойство глин, не расплавляясь, выдерживать действие высоких температур. По огнеупорности глины делятся на:

- огнеупорные − огнеупорность выше 1580 ^оС;

- тугоплавкие − огнеупорность 1350...1580 ^оС;

- легкоплавкие − огнеупорность менее 1350 ^оС.

Огнеупорность глин зависит от химического состава. Повышенное содержание глинозема (Аℓ₂O₃) увеличивает огнеупорность.

Свойство глин при обжиге уплотняться с образованием камнеподобного материала называется спекаемостью. Это свойство глин характеризуется интервалами спекания и спекшегося состояния, находящихся в тесной зависимости от водопоглощения керамического материала (рис. 6.6).

Для производства керамических изделий нужна смесь, которая хорошо формируется и достаточно быстро сохнет. Смесь с оптимальным соотношением глинистых и песчаных частиц получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки: кварцевый песок, золу ТЭС, шамот (глина, обожженная при температуре 900...1400 ^оС и потерявшая пластические свойства), измельченный бой готовых изделий.

Для улучшения спекания керамического черепка при обжиге, снижения температуры обжига изделий вводят флюсы или плавни (стеклобой, полевые шпаты, вулканические породы, нефелиновые концентраты).

Для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью применяют органические выгорающие добавки − древесные опилки, угольную мелочь, торфяную пыль, полистирольный бисер и др. Используют также вещества, выделяющие при высокой температуре обжига углекислоту, что ведет к образованию пор, - мел, доломит и глинистый мергель (в молотом виде). Эти добавки обладают также свойствами отощающих добавок.

Наиболее распространены и потребляются в дорожной отрасли изделия грубой строительной керамики.

К грубой строительной керамике относятся следующие пористые изделия с водопоглощением более 5 %:

- стеновые керамические материалы (керамический кирпич и камни);

- клинкерный (дорожный) кирпич;

- керамические канализационные и дренажные трубы.

Стеновые керамические изделия предназначены для возведения несущих наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений. К ним относятся:

- керамический рядовой (обыкновенный) кирпич;

- эффективный кирпич и керамические камни.