Розділ 8. Штучні матеріали та вироби, які отримують шляхом спікання або плавлення

Під час високотемпературної теплової обробки шляхом регулю­вання хімічного складу сировини і режимів її термічної обробки отри­мують матеріали кристалічної, скловидної та змішаної (склокристалі­чної) структури. Для щільних випалених матеріалів характерні висока міцність, непроникливість, хімічна стійкість, На їх властивості значно впливають хіміко-мінералогічний склад сировинних компонентів та продуктів випалу, особливості структури, технологічні режими. Осно­вними представниками штучних випалювальних будівельних матеріа­лів є кераміка, скло, кам'яне литво, ситали.

8.1. Керамічні матеріали та вироби

До будівельної кераміки належать штучні кам'яні матеріали, які виготовляють шляхом спікання мінеральних сировинних сумішей, головним компонентом котрих є глини.

менше В3.5, густина 1100... 1500 кг/м. Вологість панелей при від­пусканні споживачеві допускається до 8... 10%. При масовому вироб-

Рис. 7.3. Перегородочні гіпсові плити: а- суцільна; б- пустотіла; в- армована.

Глини - це тонкоуламкові осадові гірські породи різного хі-
міко-мінералогічного складу, котрі здатні з водою утворювати плас­тичне тісто, яке після випалу набуває міцності каменя. Пластичність та інші основні властивості глин обумовлені присутністю в них гли­нистих мінералів - тонкозернистих гідроалюмосилікатів з характер­ною шаруватою структурою. Крім основних мінералів, глини містять також домішки, які суттєво впливають на їх властивості. Частіше це кварц, польові шпати, гіпс, доломіт тощо.

Для виробництва будівельної кераміки застосовують звичайні глини й суглинки, які містять відповідно 30...40 та 10...30% глинистої речовини. Крім глин у сировинні суміші вводять опіснюючі, вигоряю­чі добавки, плавні та інші. Опіснюючі добавки (пісок, зола, шлак) знищують пластичність глин і зменшують небезпеку тріщиноутворен- ня при сушінні, вигоряючі (тирса, кам'яне вугілля та інші продукти, що містять паливо) - поліпшують умови випалу, зменшують середню густину та сприяють підвищенню якості виробу.

Основні виробничі процеси технології кераміки є загальними для всіх виробів. Такими процесами є видобування глини і підготовка сировини, приготування керамічної маси, формування виробів, їх су­шіння й випал. Глиниста сировина розробляється у спеціальних кар'єрах багатоківшевими екскаваторами та іншими засобами механі­зації. Підготовка сировинних матеріалів включає їх подрібнення, а при необхідності збагачення, сушіння тощо.

Для найбільш розповсюдженого пластичного способу виробни­цтва керамічна маса має вологість 18...23%. Вироби формують на стрічкових пресах, в яких маса ущільнюється шнековим механізмом і виходить із мундштука у вигляді стрічки певного перерізу, котра роз­різається на окремі вироби заданих розмірів: цегла, труби тощо.

При напівсухому способі вихідні компоненти попередньо вису­шують, і керамічна маса набуває порошкоподібного стану з вологістю 8...12%. Вироби із порошків формують на пресах при високому тиску - 10...30 МПа.

Для лиття складних тонкостінних виробів застосовують керамі­чну масу у вигляді суспензії - шлікеру. Сушать керамічні вироби в сушарках різних конструкцій, для котрих підбирають оптимальний режим, який забезпечує мінімальну кількість браку продукції.

Властивості штучного каменю кераміка набуває після випалю­вання при 900...1200^оС. При випалюванні утворюються нові силікатні сполуки, сировинна суміш частково оплавляється та спікається. Виро­би масового використання випалюють у тунельних печах, які являють собою теплові агрегати неперервної дії у формі тунелю, в середині якого прокладені рейкові колії, по яких пересуваються вагонетки з виробами.

За призначенням керамічні вироби поділяють на стінові - цеглу, керамічні камені, панелі, лицювальні - лицева цегла, плитки для фаса­дів і внутрішнього лицювання, покрівельні - черепиця; для доріг і підлог - клінкерна цегла, плитка; санітарно-будівельні-ванни, умива­льники тощо; для підземних комунікацій - каналізаційні та дренажні труби; теплоізоляційні - діатомітові, шамотні та інші легковагові ви­роби; легкі заповнювачі для бетонів - керамзит, аглопорит.

Стінові та облицювальні вироби. До цієї гру­пи належать керамічна цегла, керамічні камені та плити. Розрізняють звичайну керамічну цеглу - для кладки стін та інших частин будівель, лицеву цеглу - для зовнішнього облицювання і цеглу спеціального призначення - для кладки заводських труб, каналізаційних споруд та інших. Цегла має форму прямокутного паралелепіпеда і розміри: 250x120^65 (одинарна) або 250x120x88 мм (потовщена). Для кераміч­ної цегли встановлені наступні марки з міцності: 75, 100, 125, 200, 250, 300. Марка відповідає допустимій міцності при стисканні. Крім того, кожній марці цегли повинно відповідати певне значення границі міцності на згинання (від 1,8 для марки 75 до 4,4 МПа для марки 300). Водопоглинання цегли марок вище 150 повинно складати не менш 6% від маси, для інших марок - не менш 8%. Марки з морозостійкості це­гли призначаються наступні: 15, 25, 35, 50.

Значний економічний ефект дає перехід на випуск пористих та порожнистих керамічних виробів натомість суцільної цегли. При ви­робництві такої кераміки зменшуються витрати сировини і палива, зростає продуктивність сушарок і печей, знижуються транспортні ви­трати. Оскільки облегшені керамічні вироби мають низьку теплопро­відність, зменшується товщина стін, полегшуються фундаменти. Ви­робництво полегшених керамічних виробів потребує, однак, більш пластичних глин і більш ретельної переробки сировини.

Індустріалізація стінової кераміки вирішується шляхом вигото­влення у заводських умовах із цегли і каменю панелей, застосування котрих для зовнішніх стін дозволяє зменшити витрати матеріалів, зни­зити масу стін та кошти на кладку.

У будівництві найбільш розповсюджені наступні фасадні мате­ріали: лицева цегла та семи- або дев'ятищілинні камені розміром 250x120x138; мозаїчні плити розмірами 20x20; 50x50 мм та ін.; плит­ка типу "кабанчик" розміром 120*65 мм і плитка розміром 145*250 мм. Деякі види фасадних керамічних виробів глазурують для захисту від впливу зовнішнього середовища.

Для підлог застосовують плитки із щільної кераміки з водопог- линенням не більш 4% і втратою маси при стиранні не більш 0,1 г/см (метлахська плитка). Вони мають різні форми і розміри, гладку та не- гладку поверхню, бувають одно- та багатокольоровими. Їх виготовля­ють із пластичних тугоплавких глин.

У шляховому будівництві, також для лицювання гідротехнічних споруд, каналізаційних колекторів та інших споруд застосовують цег­лу або плити (клінкерні плити) з високою міцністю при стисканні (50...100 МПа), морозостійкістю 30... 100 циклів, водопоглинанням 2...6% і опором стиранню 14...18 г/см.

8.2. Скло та скляні вироби

Скло є одним з основних будівельних матеріалів. Його прозо­рість, декоративно-оздоблюючі якості та інші специфічні властивості дозволили створити конструкції й будівлі, які відповідають високим вимогам сучасного будівництва.

Скло є продуктом швидкого охолодження силікатних розплавів. На відміну від кристалічних тіл скло є ізотропним, тобто його власти­вості однакові по всім напрямкам. В'язкість скла при нагріванні та охолодженні змінюється не стрибкоподібно, а поступово і неперервно зі зміною температури. Важливою ознакою скловидного стану є також здатність до кристалізації у певному інтервалі температур. Прозорість скла є наслідком повної відсутності в ньому міжзернинних границь, які розсіюють світло.

У будівництві застосовують силікатне скло, основними компо­нентами якого є 8іО₂, АІ₂О₃, СаО, МgО, №₂О або К₂О. Так, віконне скло містить біля 72% 8іО2, 10% СаО+МgО, 15% ^О. Кожен з окси­дів має певне функціональне призначення. Кремнезем створює прос­торовий каркас скла і визначає його найважливіші властивості. Оксид натрію прискорює склоутворення, знижує температуру варіння скла, полегшує освітлення скломаси, однак підвищує коефіцієнт розширен­ня та знижує термічну і хімічну стійкість скла. Оксиди кальцію і маг­нію підвищують хімічну стійкість скла.

Основні компоненти вводять у сировинну масу (шихту) з піс­ком, польовими шпатами, содою, вапняком, доломітом та іншими ма­теріалами. Для надання скломасі необхідних властивостей і приско­рення варіння застосовують також допоміжні сировинні матеріали - офарблюючі та освітлюючі, окислюючі, відновлюючі тощо.

Сировинні матеріали, які застосовують для скломаси, проходять попередню обробку (збагачення, подрібнення, сушіння) та ретельне перемішування. Найбільш розповсюджені ванні печі неперервної дії. У басейнах таких печей може міститись понад 1000 т скломаси. В один кінець печі завантажується шихта, а в другому неперервно виро­бляється (витрачається) скло. Процес скловаріння включає наступні послідовні стадії: утворення нових сполук-силікатів; плавлення, вида­лення газових бульбашок; гомогенізація та охолодження до необхідної в'язкості.

Скломаса виробляється різними методами в залежності від виду виробів. Так, листове скло отримують витягуванням або прокатом, склоблоки - пресуванням із наступним зварюванням, профільне буді­вельне скло (склопрофіліт) - прокатом та протягуванням крізь фор­муючі пристосування для надання коробчатого або швелерного пере­різу.

При охолодженні скла внаслідок виникнення перепаду темпера­тур між поверхневими та внутрішніми шарами утворюються залишко­ві напруження, котрі можуть бути усунутими відпаленням - повіль­ним охолодженням виробів до нормальної температури. Для звичай­ного будівельного скла крім прозорості є характерною висока механі­чна міцність, хімічна стійкість, звукоізолююча здатність, низька теп­лопровідність.

Суттєво знижують міцність скла тріщини, подряпини та інші ушкодження і, навпаки, міцність зростає після хімічної обробки та гартування.

Крихкість - одна з найбільш характерних властивостей скла. Вона зменшується при збільшенні вмісту В₂О₃, 8іО₂, А1₂О₃, також піс­ля гартування.

Для скла є характерною також низька термічна стійкість, тобто низький опір перепаду температур.

Основним видом продукції промисловості з виробництва скля­них виробів є листове скло, котре виготовляють неполірова- ним та полірованим, відпаленим та загартованим, прозорим та кольо­ровим, плоским, хвилястим, гнутим. Сорт скла встановлюється в за­лежності від наявності таких дефектів, як: смугастість (нерівність по­верхні), свиль (нитковидні порожнини), газові та інші сторонні вклю­чення тощо.

Віконне скло виготовляють у вигляді листів товщиною 2...6 мм та розмірами від 250x250 до 2000x2200 мм.

Для утримування уламків при пошкодженні скла в нього запре­совують металеву сітку. Таке армоване скло застосовують для улаш­тування ліхтарів, перегородок, огороджень балконів, тобто там, де від матеріалу потребується підвищена механічна міцність та безпека.

Поряд з армованим ефективним способом підвищення механіч­ної міцності є гартування скла, котре полягає у нагріванні до 600^оС з наступним швидким охолодженням на повітрі.

Скляні блоки виготовляються квадратними і прямокут­ними із безфарбного або кольорового скла. Конструкції із склоблоків створюють м' яке розсіяне освітлення і мають високу тепло- та звуко­ізоляційну здатність. Ці властивості з успіхом використовуються при заповненні пройомів у зовнішніх стінах, при улаштуванні покрить та світлопрозорих перегородок.

Склопакети - це вироби із двох або трьох шарів листового скла, між котрими є герметичні повітряні прошарки. Віконні блоки із пакетного скла мають кращі показники ніж із звичайного у подвійній оправі. Разом з тим їх застосування приводить до суттєвої економії лісних матеріалів, підвищує індустріальність скління будівель.

Склопрофіліти - профільне скло швелерного або короб­чатого перерізу - характеризується високою механічною міцністю, може служити для скління огороджень і самонесучих стін, для улаш­тування в середині них перегородок, віконних пройомів і прозорих плоских покрівель. Завдяки великим габаритам (довжина склопрофілі­ту біля 7 м) при склінні профільним склом відсутня необхідність у за­стосуванні проміжних рамних оправ.

Скляні труби служать для улаштування трубопроводів, які транспортують хімічні агресивні рідини, гази, харчові продукти, сипкі та інші матеріали. Ці труби експлуатуються в умовах темпера­турного перепаду 40...80^оС і робочого тиску 0,2...0,7 МПа. Діаметр скляних труб - до 200 мм. Вони не підлягають корозії і пропускна зда­тність їх на 22% більша, ніж чавунних, і на 6,5% більш висока, ніж сталевих, при умовах рівного внутрішнього тертя.

Скловолокнисті матеріали виготовляють із скля­ного волокна. Розрізняють волокно неперервне та штапельне (довжи­на біля 50 см). Скляне волокно та матеріали на його основі мають ви­соку міцність при розтягненні (200...400 МПа), відносно невелику се­редню густину, високі діелектричні і звукоізоляційні властивості, стійкість проти хімічного та біологічного впливу (крім скла лужного складу). Бувають ткані та неткані скломатеріали. До тканих належать склотканина, сітки, стрічки, до нетканих - скляна вата, полотно тощо. Ці матеріали широко застосовують для захисту дренажних систем від замулення.

Із силікатних розплавів отримують також склокристалічні мате­ріали, котрі містять як скловидну, так і кристалічну фази. Це дозволяє поліпшити їх механічні властивості, підвищити термічну і антикоро­зійну стійкість, стиранність тощо. До таких матеріалів належать сита- ли, шлакоситали, кам'яне литво.

Ситали - це продукти кристалізації малолужного скла, яка здійснюється за спеціальним режимом термообробки. У будівництві все більш використовуються шлакоситали (різновид ситалів), які ви­готовляються з розплавів металургійних шлаків при введенні спеціа­льних добавок. Шлакоситали застосовують для покриття підлог, опо­рядження будівель, виготовлення стінових та облицювальних панелей, санітарно- технічних виробів та ін.

Кам ' яні литі вироби отримують шляхом плавлення основних вивержених або осадових гірських порід і шлаків з наступ­ною розливкою розплаву у форми і термічною обробкою для того, щоб здійснити кристалізацію і зняти напруження. За міцністю, серед­ньою густиною, стійкістю до хімічного впливу, опором стиранню та низкою інших властивостей кам'яні литі вироби перевершують при­родні камені. Недоліком кам'яного лиття, як і інших кам'яних матері­алів і скла, є крихкість та порівняно низька міцність при розтягненні і згинанні. Основними видами литих виробів є плити, лицювальні пли­тки, труби та інші деталі, призначені для роботи у жорстких експлуа­таційних умовах.