Керамические строительные материалы

Общие сведения

Керамикой называют – искусственные каменные материалы и изделия из минерального сырья, доведенного до спекания. Название «керамика» происходит от греческого слова «keramos» – глина. Под строительной керамикой подразумевают материалы и изделия из обожжённого глинистого сырья. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, называют керамическим черепком. Отформованные изделия из глинистого сырья до обжига называют сырцом.

Глины всегда были одним из основных видов строительных материалов. Ещё за 8000 лет до н.э. глины применялись в необожженном виде для глинобитного строительства, изготовления саманного и сырцового кирпича. 3500 лет до н.э. отмечается начало применения керамического кирпича, 1000 лет до н.э. – глазурованного кирпича и черепицы. С середины первого тысячелетия в Китае началось производства изделий из фарфора. В России первый кирпичный завод был построен в Москве в 1475 г, а первый фарфоровый завод был запущен в Петербурге в 1744 г. С начала XX в. началось производство широкой номенклатуры строительной керамики – эффективного кирпича, пустотелых камней, керамических плиток, санитарно-технических изделий. В последнее время распространение получили специальные виды керамики.

Достоинства керамики как строительного материала:

· Распространенность сырья (глины);

· Простота переработки сырья;

· Высокие физико-механические характеристики керамики;

· Химическая стойкость;

· Высокая долговечность;

· Высокие эстетические качества;

· Экологическая безопасность на этапе эксплуатации изделий.

Недостатки керамики как строительного материала:

· Трудность изготовления крупноразмерных изделий, и связанные с этим высокие трудозатраты на устройство конструкций и низкая технологичность;

· Малая деформативность (хрупкость) керамических изделий;

· Высокая энергоемкость производства керамических изделий, следовательно – высокая стоимость изделий.

Классификация керамических материалов

1. По назначению:

· Стеновые;

· Отделочные;

· Кровельные;

· Для полов;

· Дорожные;

· Санитарно-технические;

· Кислотоупорные;

· Огнеупорные.

2. По структуре:

· С пористым черепком (W_m > 5%) – кирпич и камни стеновые, черепица, дренажные трубы, облицовочные плитки и т.п.;

· С плотным черепком (W_m < 5%) – клинкерный кирпич, фарфор, плитки для полов.

3. По температуре плавления:

· Легкоплавкие (температура плавления ниже 1350°С);

· Тугоплавкие (температура плавления 1350°С…1580°С);

· Огнеупорные (1580°С…2000°С);

· Высшей огнеупорности (более 2000°С).

Сырьевые материалы

1. Глинистое сырье. Основным сырьем для производства строительной керамики является глина – осадочная горная порода, продукт выветривания полевошпатовых пород.

Свойства глин как сырья для керамики:

1. Пластичность – свойство глины деформироваться без разрыва сплошности (позволяет изготовить изделие заданной формы).

2. Связующая способность – свойство глины связывать компоненты сырьевой смеси и сохранять заданную форму изделия после сушки;

3. Наличие воздушной и огневой усадки. В процессе тепловой обработки происходит уменьшение размеров изделий: на этапе сушки – воздушная усадка, на этапе спекания – огневая усадка, способствующая уплотнению керамического черепка;

4. Огнеупорность;

5. Спекаемость – способность переходить в результате обжига в камневидное состояние, образуя водостойкий материал. Этом материал и будет называться керамикой.

Зерновой (гранулометрический) состав:

· Глинистые частицы – размером менее 0,005 мм. Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, в воде набухают. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается в объеме. Чем больше глинистых частиц – тем выше пластичность и воздушная усадка глин;

· Пылевидные частицы (0,005…0,16 мм);

· Песок (0,16…2,0 мм). Песок и пылевидные частицы являются отощающими примесями, снижающими пластичность и воздушную усадку глин;

· Частицы крупностью более 2 мм – должны быть отделены от глины.

Классификация глин по содержанию глинистых частиц:

· Высокопластичные – до 80…90% глинистых частиц; водопотребность более 28%; воздушная усадка 10–15%.

· Средне- и умеренно-пластичные – до 30…80% глинистых частиц; водопотребность 20…28%; воздушная усадка 7–10 %.

· Малопластичные – 5…30% глинистых частиц; водопотребность менее 20%; воздушная усадка 5–7 %.

· Непластичные – не образуют пластичное тесто.

«Жирные» глины – содержат более 60% глинистых частиц, характеризуются высокой усадкой, необходимо введение отощающих добавок.

«Тощие глины» – содержат менее 10…15% глинистых веществ, необходимо введение тонкодисперсных, пластифицирующих добавок.

Минеральный состав глин:

· Глинистые минералы:

Каолинит Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O – светлая окраска глин; слабо набухают, тугоплавки, малопластичны, малочувствительны к сушке.

Монтмориллонит Al₂O₃·4SiO₂·4H₂O – пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу с появлением искривлений и трещин.

Бентонит – более 85…90% частиц размером менее 0,001мм. Являются пластифицирующими добавками.

· Кварц (SiO₂) представлен песком;

· Полевые шпаты, слюды и гидрослюды.

· Примеси:

CaCO₃, MgCO₃ – вызывают образование единичных известковых включений («дутиков»).

Сульфаты и хлориды Na; Ca; Mg; Fe – вызывают появление высолов.

Химический состав глин:

· SiO₂ – 40…80% – снижает пластичность и прочность, повышает пористость.

· Al₂O₃ – 8…50% – повышает пластичность и огнеупорность глин.

· Fe₂O₃ – 0…15% – снижает огнеупорность.

· CaO – 0,5…25%.

· MgO – 0…4%.

· Na₂O и K₂O – сильные плавни, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению прочности керамики.

Для производства изделий от темно-красного до красно-коричневого цвета используют красножгущиеся глины, для производства изделий светлой цветовой палитры используют светложгущиеся глины.

2. Отощающие добавки – вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге, предотвращения деформаций и трещин (дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок).

3. Порообразующие добавки – вводят для повышения пористости черепка и повышения теплозащитных характеристик изделий (древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль).

4. Плавни – вводят с целью снижения температуры обжига (полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит).

5. Пластифицирующие добавки – вводят для повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды (высокопластичные глины, бентониты, ПАВ).

6. Специальные добавки – к примеру, для повышения кислотостойкости добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (Fe, Co, Ti, Cr).