4.3. Покрівельна кераміка (черепиця)

Згідно ДСТУ Б В.2.7.-28-95 “Черепиця керамічна” основними видами черепиці є:

- штампована;

- пластичного формування (стрічкова);

- напівсухого пресування плоска.

Кожен з видів ділиться на типи:

- штампована: пазова, марсельська, голландська, S-подібна, мунк-нун, гребенева та гребенева укрупнена;

- пластичного формування: стрічкова пазова, стрічкова плоска та стрічкова S-подібна;

- напівсухого пресування: плоска типу “Бобровий хвіст”.

В пазовій черепиці передбачені пази з двох чи чотирьох країв, які ущільнюють покрівлю запобігаючи перетіканню води чи снігу під виріб. Плоску вкладають з напуском одна на одну, що збільшує масу 1 м² покриття. Гребеневу використовують для улаштування гребеня даху.

За структурою черепиця повинна бути більш щільною, ніж цегла, не повинна пропускати вологи і бути морозостійкою та механічно міцною. Водопоглинання черепиці стандарт не регламентує але воно не повинно перевищувати 10 %; морозостійкість - не менше 25 циклів для виробів пластичного формування і не менше 35 циклів напівсухого формування; границя міцності на згин (в сухому стані) - не менше 8-15 МПа в залежності від виду і типу виробу.

Як сировину для виробництва черепиці використовують легкотопкі, досить пластичні, малочутливі до сушіння глини, які добре спікаються. Технологічна схема отримання черепиці аналогічна виробництву цегли, проте складніша форма, ніж в цегли, і необхідність високої щільності зумовлюють ретельнішу переробку маси. В склад мас на основі високо пластичних і чутливих до сушіння глин вводять 15-25 % опіснювачів (шамот, пісок).

У виробництві черепиці, як і у виробництві цегли, використовують парозволоження мас, яке сприяє більш швидкому і бездефектному висиханню черепиці. Стрічкову і гребеневу черепицю формують на стрічкових вакуум-пресах, обладнаних мундштуком, вихідний отвір якого відповідає формі черепиці. При цьому стрічку, яка виходить з мундштука розрізають на окремі вироби на різальному станку-напівавтоматі. Пазову штамповану черепицю формують на штампувальних пресах спеціальних різноманітних конструкцій в металевих (чавунних, стальних, бронзових) чи гіпсових формах. Щоби отримати пазову штамповану черепицю приготовану на стрічковому пресі валюшку розрізають на тонкі пластини, які вкладають у форму і потім штампують. Металеві форми змащують жировими мастилами.

Відформовану черепицю, вкладену на рамки, сушать в камерних чи тунельних сушарках до вологості 4-6 % протягом 24-36 год. Випалюють черепицю в тих же печах, що і цеглу при температурі 900-950 ^оС. Часто практикують комбіноване садіння черепиці разом з цеглою, при цьому черепицю випалюють у верхніх рядах печі.

4.4. Керамічні заповнювачі (керамзит)

Керамзитом називають штучний пористий зернистий матеріал ніздрюватої будови, що отримують спучуванням глинистих порід при їх випалі. Властивості керамічних заповнювачів регламентує ДСТУ Б.В.2.7.-17-95 “Гравій, щебінь і пісок штучні пористі”.

Зерна (гранули) розміром 5-40 мм називають керамзитовим гравієм або щебенем, а матеріал з зернами менше 5 мм - керамзитовим піском.

В залежності від середньої густини керамзит ділять на 15 марок, кг/м³: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100. Міцність керамзитового гравію та щебеню залежить від марки і знаходиться в межах 0,4-10,0 МПа. Кількість умовно закритих пор в керамзитовому гравію коливається в межах від 60 до 90 %. Морозостійкість гравію повинна бути не менше 15 циклів. При цьому кількість циклів морозостійкості рахують до втрати маси не більше 8 %.

Крім того стандарт регламентує відношення найбільшого розміру зерен до найменшого (коефіцієнт форми), водостійкість і водопоглинання.

Керамзит у вигляді дрібнозернистого сипкого матеріалу використовують як заповнювач для легких конструктивно-теплоізоляційних, частково теплоізоляційних і конструктивних бетонів, а також для теплоізоляційних засипок.

Керамзитовий гравій і пісок мають зерна округлої чи невизначеної форми з тонкою спеченою поверхневою шкуриною. Якщо щебінь і пісок отримують подрібненням грубих (більше 40 мм) зерен керамзиту чи зварів (“козлів”) то їх зерна не мають такої шкурини. Керамзит округлої форми міцніший від щебенеподібного керамзиту.

Для виробництва керамзиту використовують легкотопкі глини, які при швидкому випалі мають схильність до спучування. За хемічним складом вони, як правило, характеризуються невеликим вмістом Al₂O₃, підвищеним вмістом оксидів-топників, особливо оксидів заліза і органічних домішок. Органічні і карбонатні домішки при нагріванні служать джерелом газовиділення. При невисокому вмісті в глинах таких домішок їх можна спеціально вводити як додатки (мазут, солярове масло, с.с.б., зола, вугільний пил тощо). Для підвищення міцності зерен керамзиту вводять каталізатори кристалізації (піритні недопалки, які містять FeS₂, металургійні шлаки - TіO₂).

Механізм спучування полягає в одночасному протіканні процесів топлення матеріалу і виділення з нього газоподібних продуктів реакцій. При швидкому нагріванні процеси вигоряння і розкладу не встигають завершитись у своїх температурних інтервалах і зміщуються в область більш високих температур (включно до 1000-1100 ^оС). Для деяких процесів це зміщення складає декілька сотень градусів. При температурах вище 700 ^оС починає з’являтись рідка фаза. Швидке нагрівання призводить до того, що кількість рідкої фази різко збільшується, а її в’язкість зменшується. При цьому утворений розтоп закриває пори гранули, особливо з поверхні і припиняє виділення з неї газів (CO₂ і H₂O). В середині гранули протікає низка реакцій, більшість з яких супроводжується газовиділенням.

1) Окиснення органічних домішок з утворенням газоподібних CO₂ і CO.

C + O₂ = CO₂

2C + O₂ = 2CO

C + CO₂ = 2CO

Утворений внаслідок неповного згоряння CO є активним відновником, який призводить до переходу оксидів заліза в закисну форму (FeO).

2)Відновлення оксидів заліза

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + СO₂

Закисне залізо сприяє більш інтенсивному топленню маси, зменшенню в’язкості розтопу і закриттю пор.

3) Термічний розклад карбонатних домішок з виділенням вуглекислого газу. Розклад MgCO₃ починається уже при температурах вище 800 ^оС, CaCO₃ - вище 900 ^оС.

CaCO₃ = CaO + CO₂

MgCO₃ = MgO + CO₂

4) Розклад глинистих мінералів з виділенням пароподібного H₂O. Температура розкладу каолініту складає 450 ^оС, монтморилоніту і гідрослюди - 550 ^оС. На практиці при швидкісному нагріві температура розкладу карбонатних домішок і глинистих мінералів зміщається в область більш високих значень.

5) При наявності в глинах сульфатних (гіпсових) домішок спочатку відбувається зневоднення гіпсу з виділенням парів води, а потім розклад з виділенням SO₃.

CaSO₄*2H₂O = CaSO₄ + 2H₂O

CaSO₄ = CaO + SO₃

Утворення великої кількості малов’язкої рідкої фази з одного боку закриває пори гранули, а з іншого настільки пом’якшує матеріал, що він переходить у піропластичний стан (набуває пластичних властивостей). При цьому виділення все нових порцій газоподібних CO₂, CO і H₂O призводить до того, що гранула роздувається і всередині її утворюються пори різних розмірів.

В загальному технологічна схема виготовлення керамзиту складається з наступних операцій:

В залежності від властивостей вихідної сировини існує декілька схем виготовлення керамзиту:

1) Кам’янисті чи щільні глинисті породи, однорідні за складом, що добре спучуються і мають невисоку кар’єрну вологість подрібнюють до крихт невеликих розмірів (сухий спосіб), які подають на випал. Цей спосіб найбільш простий та економічний.

2) Неоднорідні глини, що важко розмочуються і погано спучуються (що вимагає введення органічних додатків) подрібнюють, сушать, розмелюють в порошок, змішують з додатками і гранулюють (напівсухий спосіб).

3) Неоднорідні глини, що добре розмочуються переробляють пластичним способом, формують гранули, підсушують їх в сушильному барабані і подають на випал. Формування гранул здійснюють на дірчастих формуючих або пресуючих валках, стрічкових пресах, на виході обладнаних перфорованою граткою і пристороєм для різання джгутів.

4) Глини з високою кар’єрною вологістю, що добре розмочуються переробляють на рідкотекучу пульпу, як подають в обертову піч в якій під час обертання утворюються гранули (мокрий спосіб).

Якщо глинисті породи мають вузький температурний інтервал спучування відформовані гранули обпудрюють важкотопкими порошками (тонкомелений кварцовий пісок, зола ТЕС тощо). Випал керамзиту здійснюють в одно- чи двобарабанних обертових печах довжиною від 40 до 56 м, при зовнішньому діаметрі від 2,5 до 3,6 м. Тривалість випалу складає 30-60 хв. Режим випалу характеризується відносно повільним наростанням температури матеріалу в зоні досушування, дещо прискореним в зоні підігріву і швидким в зоні спучування, яке в залежності від властивостей глини відбувається в температурному інтервалі 1150-1250 ^оС. Внаслідок наявності органічних домішок чи додатків в сировині всередині гранули і в окремих випадках в печі встановлюється відновне середовище. Охолоджують керамзит в холодильниках (наприклад, барабанних) спочатку за сповільненим режимом, а в кінці за пришвидшеним.