1) Глины: условия образования, составы и основные свойства глин.

Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, или с добавками – отощающими, порообразующими, пластификаторами.

Глинистое сырье (глины и каолины) – продукт выветривания изверженных полевошпатных ГП, содержащий примеси других ГП.

Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня. Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16-2 мм.

При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка. В зависимости от этого глины делятся на: 1)высокопластичные (80-90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28%, воздушная усадка 10-15%);

2) средне- и умеренно-пластичные (имеют в своем составе30-60% глинистых частиц, число пластичности 15-25, водопотребность 20-28%, воздушная усадка 7-10% );

3) малопластичные (5-30% глинистых частиц, число пластичности 7-15, водопотребность до 20%, воздушная усадка 5-7%).

Глинистые частицы в большинстве своем состоят из вторичных минералов: каолинита Аl₂О₃*2SiO₂*2H₂О, монтмориллонита Аl₂О₃*4SiO₂*4H₂О , гидрослюдистых и их смесей.

1) Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, малопластичны, малочувствительны к сушке. 2) Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу.

Химический состав глин выражается содержанием различных оксидов. В керамическом сырье содержание оксидов колеблется в пределах: SiO₂ – 40-80%, Al₂O₃ – 8-50%, Fe₂O₃ – 0-15%, CaO – 0.5-25%, MgO – 0-4%.

Качество глинистого сырья для производства керамики оценивается по ряду показателей: пластичности, связующей способности, усадке, спекаемости и огнеупорности.

Под пластичностью понимается свойство глины во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов, трещин и сохраняющуюся при последующей сушке и обжиге.

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

2) Добавки, применяемые в производстве строительной керамики.

Для улучшения качества сырья и регулирования свойств керамических изделий в глину вводят отощающие, порообразующие (выгорающие), пластифицирующие и специальные добавки, плавни. |

Отощающие добавки – вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся: дегидратированная глина, шлаки, золы, кварцевый песок.

Порообразующие добавки – вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся: древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль.

Плавни – вводят для снижения температуры обжига керамических изделий. К ним относятся: полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник.

Пластифицирующие добавки – для повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. Это могут быть высокопластичные глины, поверхностноактивные вещества.

Специальные добавки – добавляют для повышения кислотостойкости: (песчаные смеси, затворенные жидким стеклом).

Глазурь – это стекловидное покрытие толщиной 0,1-0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и непрозрачными (глухими), различного цвета. Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой белой или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. Ангоб по своим свойствам должен быть близок к основному черепку.

3)Основы технологии производства изделий строительной керамики.

1)карьерные работы;

2)механическая обработка глиняной массы;

3)формование изделий (пластическим, жестким, пулусухим, сухим и шликерным способом);

4)сушка и обжиг.

Карьерная глина в естественном состоянии непригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится обработка с целью подготовки массы. Подготовку массы ведут в сочетании естественной и механической обработки.

Естественная обработка – вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении, замораживании и оттаивании. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей. В зависимости от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 18 до 28%. Этот вид производства является наиболее простой и распространенный. Глиняная масса подвергается уплотнению под давлением 1,6-7МПа.

Жесткий способ формования является разновидностью пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах под давлением до 20 МПа. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты чем при пластическом способе.

Полусухой способ. Керамические изделия формуют из шихты с влажностью 8-12% при давлениях 15-40 МПа. Недостатком является металлоемкость, но длительность производственного цикла сокращается в два раза, до 30% уменьшается расход топлива.

Сухой способ – это разновидность полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок готовится с влажностью 2-6%. При этом устраняется полностью необходимость сушки. Таким способом изготовляют плотные керамические изделия – плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Сушка: Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Сушка производится в туннельных или камерных сушилах до 72 часов при температуре 120-150^оС. Затем идет обжиг.

4)Физико-химические процессы, протекающие в сырце при его обжиге.

Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Процесс делится на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение.

1.При прогреве сырца до 120 град удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются.

2.В температурном интервале от 450 до 600 град происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса теряет свои пластические свойства.

3. При 800 град начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твердой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

4. В процессе нагрева до 1000 град возможно образование новых кристаллических силикатов. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Эта усадка называется огневой усадкой (2-8%). После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность.

Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин. Интервал температур от температуры огнеупорности до начала спекания называется интервалом спекания. Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-100 град, а огнеупорных до 400 град.

Интервал температур обжига в зависимости от назначения и свойств керамического изделия от 900 для кирпича до 1800 для огнеупорной керамики градусов.

5) Классификация изделий строительной керамики по своиствам черепка и по назначению

Строительные керамические изделия классифициру­ют по структуре керамического черепка и по их конст­руктивному назначению в отдельных элементах зданий и сооружений.

По структуре черепка различают изделия с пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тон­кой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5%, обычно такой черепок пропуска­ет воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5%; как правило, он водонепроницаем.

У изделий грубой керамики черепок имеет в изломе зернистое строение (макронеоднородный). Большинство строительных керамических изделий — строительный кирпич, черепица, канализационные трубы и др. — являются изделиями грубой керамики.

У изделий тонкой керамики излом черепка име­ет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором.

По конструктивному назначению различают следующие группы керамических строительных материалов и изделий:

стеновые изделия

—кирпич, керамические камни и панели из них;

фасадные изделия

—лицевой кирпич, различного рода плитки; архитектура-художественные детали, набор­ные панно;

изделия для внутренней

облицовки стен—глазурованные плитки и фасонные детали к ним (карнизы, уголки, пояски);

плитки для облицовки пола

изделия для перекрытий

(балки, панели, специальные камни);

кровельные изделия

—черепица;

санитарно-строительные изделия

—умывальные столы, унитазы, ванны;

дорожные изделия

—клинкерный кирпич;

изделия для подземных коммуникаций

— канализационные и дренажные трубы;

теплоизоляционные изделия

(керамзитокерамические панели, ячеистая керамика, диатомитовые и шамотные легковесные изделия);

заполнители бетонов

(керамзит, аглопорит).

6)Гипсовые вяжущие вещества: сырье, производство, технические свойства, применение в строительстве.

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов. Неорганические вяжущие делят на 2 группы: воздушные игидравлические. Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность на воздухе. По химическому составу они делятся на 4 группы:

гипсовые вяжущие, основой которых является сернокислый кальций;

магнезиальное вяжущее, содержащее каустический магнезит;

жидкое стекло – силикат натрия или калия;

известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция СаО.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность не только на воздухе, но и в воде. Они в основном состоят из из соединений четырех видов: CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. Три основные группы гидравлических вяжущих:

силикатные цементы, состоящие преимущественно из силикатов кальция; к ним относится ПЦ и его разновидности;

алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности;

гидравлическая известь и романцемент.

Гипсовые вяжущие - это воздушные вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрита и получаемые тепловой обработкой сырья и помолом. Сырье: природный гипсовый камень (CaSO₄2H₂O) или ангидрит (CaSO₄).

Г.В.В. подразделяются в зависимости от температуры тепловой обработки на две группы:

Низкообжиговые г.в. получают тепловой обработкой природного гипса при температурах (110-180^оС). Они состоят преимущественно из полуводного гипса CaSO₄0.5H₂O. CaSO₄*2H₂O=CaSO₄*0.5H₂O+1.5H₂O–83.47 кДж/моль. К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся

строительный (изготовляют обжигом гипсовой породы в котлах или печах, гипсовый камень сначала разламывают, а потом в виде порошка нагревают в котлах, прочность при сжатии 10-12МПа, водопотребность 50-70% );

формовочный (содержание CaSO₄ в гипсовом камне не менее 95%,);

высокопрочный гипс (термическая обработка под давлением пара с последующей сушкой и измельчением, содержание CaSO₄ в гипсовом камне не менее 95-97%, прочность при сжатии 18-25МПа, водопотребность 30-40%).

Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества изготавливают путем обжига гипсового камня при высоких температурах – 600-900^оС. Они состоят преимущественно из ангидрита CaSO₄. К ним относятся ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс.

Ангидритовый цемент получают путем совместного помола природного или искусственного ангидрита (600-700 ⁰С) и различными минеральными активизаторами твердения (известь, обожженный доломит, горючие сланцы) водопотребность 30-35%, прочность 5-20МПа.

Высокообжиговый гипс (эстрих - гипс) получают обжигом (600-700 ⁰С) двуводного гипса с последующим измельчением. Для высокообжиговых гипсовых вяжущих прочность при сжатии 10-20МПа, водопотребность 30-35%. Тонкость помола характеризуется остатком в % на сите с сеткой № 02.

По срокам схватывания гипсовые вяжущие делятся на: А - быстросхватывающиеся ( 2-15 мин), Б - нормально схватывающиеся ( 6-30мин), В - медленно схватывающиеся ( более 20 мин). Прочность при изгибе 1,2-8МПа. Марки по прочности при сжатии в МПа: Г-2, Г-3,… Г-25.

Марки Г-2 до Г-7 применяют для изготовления тонкостенных строительных изделий и декоративных деталей. Марки до Г-25 (Б, В) применяют в штукатурных работах, для заделки швов и в специальных целях.

Для повышения прочности и ускорения сроков схватывания гипсовые вяжущие добавляют в известково-песчаные растворы.

7)Твердение гипсового теста .

При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата кальция CaSO₄0.5H₂O+1.5H₂O=CaSO₄2H₂O.

При гидратации 1кг полугидрата выделяется 133кДж тепла. В теории, разработанной А. А. Байковым, твердение можно условно подразделить на три периода:

1.Образование насыщенного раствора при растворении полугидрата (растворение)

2.Образование субмикрокристаллов двуводного гипса в результате прямого присоединения воды к полуводному гипсу (коллоидация) – схватывание. Отличительной особенностью этого периода является увеличение вязкости гипсового теста.

3. Перекристаллизация двугидрата с образованием более крупных кристаллов (кристаллизация).

Объем твердеющего гипсового теста увеличивается на 0,5-1,0%. Это свойство используется при изготовлении архитектурных деталей и отливок из гипса, которые точно передают очертания формы.