17

Керамические материалы общие сведения

Керамика — собирательное название широкой группы искусст­венных каменных материалов, получаемых формованием из глиня­ных смесей с последующей сушкой и обжигом. На древнегреческом языке «керамос» означало гончарную глину, а также изделия из обож­женной глины.

Керамика — древнейший строительный материал. Археологами обнаружены остатки зданий и сооружений из керамического кирпича в Древнем Египте и Ассирии, датируемые III—I тысячелетиями до на­шей эры. Кирпич был известен в Древней Индии и Китае. В Древней Греции керамика применялась для кровель и украшения фасадов. Первый храм Геры в Олимпии (VII в. до н. э.) имел черепичную кры­шу и украшения из терракоты.

Простота технологии и неисчерпаемая сырьевая база для произ­водства керамических изделий самых разнообразных видов предоп­ределили их широкое и повсеместное распространение. Этому способствовали также высокая прочность, долговечность и декора­тивность керамики. И в настоящее время керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

По н а з н а ч е н и ю керамические изделия делят на следую­щие виды:

• стеновые (кирпич и керамические камни);

• кровельные (черепица);

• изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, терракото­вые плиты, мозаичные плитки и др.);

• изделия для внутренней облицовки стен;

• плитка для полов и элементы мощения;

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

• специальная керамика (кислотоупорная, огнеупорная тепло­изоляционная);

• заполнители для легких бетонов (керамзит и аглопорит).

Материал, из которого состоят керамические изделия после об­жига, называют керамическим черепком.

В зависимости от структуры черепка керамиче­ские изделия разделяются на две группы: пористые и плотные.

Пористыми условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка более 5 % по массе (в среднем 8...20 %). К ним относятся все виды кирпича и стеновых камней, черепица, облицовочные плитки.

Плотными считают изделия, водопоглощение черепка у которых менее 5 % (обычно 2...4 %); эти изделия практически водонепрони­цаемы. К ним относятся плитки для полов, керамогранит санитар­ный фарфор и т. п.

Сырье для производства керамики

Сырьевая масса для изготовления керамических материалов состо­ит из пластичных материалов (глин) и непластичных (отощающих и выгорающих добавок, плавней и др.). Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы, а после обжига — прочного и водо­стойкого черепка. Непластичные добавки улучшают технологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, уменьшают усадку и сни­жают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (высокую пористость, пониженную теплопроводность и т. п.).

Глины — основной сырьевой компонент керамики — осадочные горные породы. Они состоят в основном из глинистых минера­лов — водных алюмосиликатов различного состава (каолинит А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава; отличается слоистым строением и др.). Размер ча­стиц глинистых минералов не превышает 0,005 мм; преобладающая форма частиц - пластинчатая. Благодаря своей гидрофильности и огромной площади поверхности глинистые частицы активно адсор­бируют (поглощают и удерживают) воду. Именно глинистые минера­лы придают глине ее характерные свойства: пластичность при увлажнении, прочность при высыхании и способность к спеканию при обжиге.

Кроме глинистых минералов, в глине содержатся более крупные частицы: пыль (0,005...0,16 мм) и песок (0,16...5 мм). Они состоят из кварца, карбонатов кальция и магния и других минералов, которые также влияют на ее технологические свойства и качество готовых из­делий.

Глины как сырье для керамики оценивают комплексом свойств: пластичностью, связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичность — способность глиняного теста деформироваться под действием внешних механических нагрузок без нарушения сплошности и сохранять полученную форму после прекращения воз­действий. Пластичность глин объясняется тем, что при увлажнении глины на поверхности глиняных частиц появляются тончайшие слои адсорбированной воды. Эти слои, с одной стороны, обеспечивают возможность скольжения частиц друг относительно друга, с дру­гой — связывают эти частицы силами поверхностного натяжения, что обеспечивает сохранение формы изделий после формования. Превалирование того или другого эффекта зависит от количества адсорбированной глиной воды.

Пластичность оценивают количеством воды, необходимой для получения из глины удобоформуемой массы. Высокопластичные глины имеют высокую водопотребность и, как следствие, большую усадку при сушке:

Типы глины	Водопотребность, %	Усадка при сушке, %
Высокопластичная	> 28	10.. .15
Средней пластичности	20.. .28	7.. .10
Малопластичная	< 20	5.. .7

Скорость сушки увлажненной глины определяется не скоростью испарения влаги с поверхности отформованного изделия, а скоро­стью миграции воды внутри глиняной массы от центра к поверхно­сти. Глина, будучи материалом «водонепроницаемым», тормозит продвижение влаги через свою толщу, чем замедляет сушку.

Чем больше в глине частиц глинистых минералов, тем она больше требует воды, больше набухает, но труднее сохнет и дает большую усадку. Такие глины называют «жирными». Глины, содержащие мно­го песчаных частиц, характеризуются небольшой усадкой и набуха­нием, достаточно легко сушатся, но пластичность, т. е. формовочные свойства, у нее пониженная. Такие глины называют «тощими».

Таким образом, для получения требуемой сырьевой массы для керамики нужно выполнить два противоречивых друг другу условия: смесь должна хорошо формоваться и легко сушиться.

Смеси с оптимальным соотношением глинистых и песчаных частиц получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки. Кроме песка, для этих целей используют золы ТЭС, шлаки и другие материалы.

Спекаемостъ — способность глины при обжиге переходить в камневидное состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объясняется следующим. При нагреве до 900...1200 °С в глине после­довательно начинают протекать химические и физико-химические процессы, приводящие к полному и необратимому изменению ее структуры:

• удаление химически связанной воды (500...600 °С);

• разложение обезвоженной глины на оксиды А1₂О₃ и SiO₂ (800...900 °С);

• образование новых водостойких и тугоплавких минералов (сил­лиманита А1₂О₃ • SiO₂ и муллита ЗА1₂О₃ • 2SiO₂ (1000...1200 °С);

• образование некоторого количества расплава из легкоплавких материалов глины (900... 1200 °С).

Образование прочного черепка происходит за счет эффекта скле­ивания твердых частиц глины образовавшимся расплавом. При этом за счет сил поверхностного натяжения этого расплава происходит уменьшение объема материала, называемое огневой усадкой. В зави­симости от вида глин огневая усадка составляет 2...6 %.

Полная усадка — сумма воздушной и огневой усадки; она обычно находится в пределах 6...18 %. Полную усадку необходимо учитывать при формовании сырцовых заготовок для получения изделий с задан­ными размерами.

Огнеупорность — свойство материалов, в том числе и глин, вы­держивать действие высоких температур без деформаций.

Различные глины требуют определенных температур обжига и со­ответственно изделия из них имеют различную огнеупорность. По этому признаку глины делят на легкоплавкие, тугоплавкие и огне­упорные.

Легкоплавкие глины, содержащие большое количество примесей, плавятся при температуре ниже 1350 °С. Из таких глин, называемых кирпичными, изготовляют кирпич, стеновые камни и черепицу.

Тугоплавкие глины, содержащие незначительное количество при­месей, плавятся при температуре 1350...1580 °С. Применяют их для изготовления облицовочных керамических изделий, лицевого кир­пича, канализационных труб.

Огнеупорные глины, почти не содержащие примесей, плавятся при температуре выше 1580 °С. Их применяют для производства огне­упорных материалов.

Отощающие материалы вводят в состав керамической массы для снижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. Они улучшают сушильные свойства глин. В качестве отощающих добавок используют песок, шамот, дегидратированную глину, золы ТЭС, гранулированные шлаки.

Шамот — зернистый (0,14...2 мм) материал, получаемый измель­чением предварительно обожженной до температуры спекания гли­ны. Его можно заменить измельченным браком керамических изделий. Шамот из огнеупорных глин используют для изготовления огнеупоров.

Дегидратированную глину получают нагревом до 650...750 °С. При удалении кристаллизационной (химически связанной) воды глина необратимо теряет свойство пластичности.

Гранулированный доменный шлак и золы ТЭС — отощители глин, используемые при производстве кирпича и другой грубой керамики. Это эффективный путь утилизации промышленных отходов.

Порообразующие добавки вводят в смесь для снижения плотности и соответственно теплопроводности керамических изделий. Для этого используют вещества, которые при обжиге:

• диссоциируют с выделением газа, например СО₂ (молотый мел, доломит и т. п.);

• выгорают (древесные опилки, угольный порошок и т. п.).

Такие добавки одновременно являются и отощающими.

Пластифицирующие добавки — высокопластичные глины, а также поверхностно-активные вещества — пластификаторы СДБ, ЛСТ и др.

Плавни добавляют в глины в тех случаях, когда желательно пони­зить температуру ее спекания. В этом качестве используют полевые шпаты, железную руду, тальк и т. п.

Глазури и ангобы — отделочные слои на облицовочных керамиче­ских изделиях.

Глазури — стеклообразные лицевые покрытия различного цвета, прозрачные или глухие. Их получают нанесением на поверхность го­товых изделий порошка из стекольной шихты и закреплением обжи­гом до плавления.

Ангобы — лицевые покрытия, выполненные из цветных глин, на­несенных на поверхность сырцовых изделий. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава, а образует матовое керамическое покрытие.

Одна из главных проблем при глазуровании и ангобировании — обеспечение максимальной близости свойств (главным обра­зом КЛТР) изделия и отделочного слоя во избежание растрескивания и отслоения отделочного слоя. Характерным видом брака подобного рода является цек — частая сетка тонких трещин на поверхности глазури.