4. Основные свойства глин – сырья для производства изделий строительной керамики.

Термином «глина» обозначают тонкодисперсную фракцию горных пород, состоящих из глинообразующих минералов (водных алюмосиликатов) и примесей иных материалов, способную при затворении с водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства. Глины образовывались в результате механического разрушения и химического разложения изверженных полевошпатовых и метаморфических горных пород (гранитов, гнейсов, порфиров, туфов и др.). Разрушение горных пород происходит под влиянием солнца, воды и резких перепадов температур, а химическое разложение вызывается действием воды и углекислоты на полевой шпат, в результате, чего образуется минерал каолинит — водный алюмосиликат Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Глины, состоящие в основном из каолинита, называются каолинами. Размер частиц каолина менее 0,01 мм. После обжига эти глины сохраняют преимущественно белый цвет. Каолины относят к первичным глинам. Основные месторождения каолина — Полевское, Кыштымское, Астафьевское, Невьянское (РСФСР); Глуховецкое, Белая Балка, Лозовиковское, Пологское, Просяновское (УССР). Встречается он в Узбекской, Туркменской, Казахской, Грузинской и других союзных республиках. Вторичными считают глины, которые отлагались в новых местах в результате переноса продуктов разрушения горных пород дождевыми или снеговыми водами, ледниками, ветрами. Вторичные глины содержат различные примеси — кварц, известняк, гипс, соединения магния и железа, органические и другие вещества, влияющие на свойства глин. Глины с незначительным количеством примесей называют огнеупорными, а глины с большим содержанием примесей — легкоплавкими обыкновенными. Основные месторождения огнеупорных глин: Латненское, Трошковское, Ужельское, Часовярское, Новошвейцарское и др. Каолины применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий; огнеупорные глины — для керамических труб и терракотовых изделий; легкоплавкие глины — для изготовления керамзита, гончарных и кирпично-черепичных изделий. Кроме каолинитовых, в природе встречаются гидрослюдистые глины, образованные в результате выветривания силикатных пород в условиях повышенной влажности, и бентонитовые, полученные в результате выветривания туфов, вулканических пеплов и др. Бентонитовые глины добывают на Гумбрайском, Аксанском, Черкасском, Оглалинском и других месторождениях. Гидрослюдистые легкоплавкие глины широко применяют в производстве строительной керамики, а бентонитовые — для изготовления фарфоровых изделий, промывочных растворов при бурении, обогащения железных руд, осветления жидкостей. Глинистое сырье классифицируют по химико-минералогическому составу (глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые), по назначению (кирпичные, керамзитовые, фарфоро-фаянсовые и др.), по огнеупорности (огнеупорные, имеющие огнеупорность свыше 1580 °С, тугоплавкие — от 1350 до 1580 °С и легкоплавкие — до 1350 °С). Пригодность глинистого сырья для производства того или иного вида изделий определяется его свойствами, зависящими от химико-минералогического и гранулометрического состава. Химический состав каолинитовых глин включает 39,5% Al₂O₃ (глинозема), 46,5% SiO₂(кремнезема) и 14% H₂O (химически связанной воды). Вторичные глины состоят из оксидов кремния; алюминия, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия и солей, а также органических веществ и воды.  В глинах наиболее характерных видов содержится, %: кремнезема — 46—85, глинозема — 10—35, оксида железа — 0,2—10, оксида кальция — 0,03—6, диоксида титана — 0,2—1,5, оксида щелочных металлов — 0,1—6, сернистого ангидрида — 0—0,5. Потери при прокаливании составляют 8—14 *. Кремнезем в глинах может находиться как в связанном состоянии, входя в состав глинообразующих минералов, так и в свободном, представленном примесями кварцевого песка. Сильно запесоченные глины обычно являются легкоплавкими. Они отличаются ухудшенными формовочными и обжиговыми свойствами, низкой пластичностью. Изделия из них имеют высокую пористость, малую механическую прочность и низкую морозостойкость. Глинозем — основная часть глин. В составе глинообразующих минералов находится в связанном состоянии. С увеличением содержания глинозема в глинах повышается пластичность, огнеупорность и прочность изделий. Диоксид титана в зависимости от соотношения с другими оксидами придает обожженным изделиям зеленоватую окраску. Помимо оксида  железа Fe₂O₃ в виде примесей в глинах могут присутствовать закись железа FeO, пирит Fe₂S, гидроксид железа и карбонат железа, которые после обжига придают изделиям красноватый оттенок. Закись железа FeO во время обжига изделий действует как плавень **, а оксид железа Fe₂O₃ кристаллизуется в гематит или при взаимодействии с органическими примесями переходит в закись, оказывая, как и плавни, флюсующее действие и снижая огнеупорность глин. Это увеличивает опасность подвара изделий в процессе обжига в местах высоких температур (выше 1000 °С). Оксиды кальция и магния находится в глинах в виде CaCOg и MgCO₃. Оксид кальция понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, снижает прочность и морозостойкость, повышает пористость. Оксид магния меньше влияет на качество керамических изделий. Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, они понижают температуру обжига и повышают плотность и прочность изделий. Присутствие их в глинах ослабляет красящие свойства оксида железа и диоксида титана. Органические вещества в глинах в виде остатков растений и гумусовых веществ снижают огнеупорность глин, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно, повышают воздушную усадку. С увеличением их содержания увеличивается пористость и снижается механическая прочность изделий.

Гранулометрический состав глин — процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе. Характеризуется большим разнообразием. Размеры частиц легкоплавких глин, мкм: Менее 5 ..............8—60% 5-50  .........6-55% 50-250 ........1-22% Более 1000 ..............10% Фракции с размером частиц 5—50 мкм относятся к пылевидным, от 50 мкм до 2 мм — к песчаным. Фракцию более 2 мм считают включениями. Повышенное, содержание частиц размером менее 5 мкм придает глинам высокую пластичность и чувствительность к сушке, увеличивает усадку изделий при обжиге. Повышенное содержание пылевидной фракции в глинах повышает чувствительность к сушке и обжигу, снижает прочность изделий. Глины, содержащие крупнозернистый песок, менее чувствительны к сушке, чем глины, содержащие тонкодисперсный песок. Следовательно, зная гранулометрический и вещественный составы глин, можно ориентировочно определять их пригодность для изготовления керамических изделий того или иного вида. Так, для тонкостенных и крупноразмерных керамических камней содержание фракций меньше 2 мкм должно быть в пределах 24—50%, фракций размером 2—20 мкм — 30—47%, более 20 мкм — 6—34%. К основным технологическим свойствам глин относят пластичность, воздушную и огневую усадку, огнеупорность, спекаемость и цвет изделий после обжига.  Пластичностью называется свойство глин при смешивании с водой давать вязкое тесто, которому можно придать любую форму, сохраняющуюся после снятия нагрузок. Степень пластичности глин характеризуется числом пластичности П, определяемым по формуле П =Wт —Wp, где Wт и Wр — влажность соответственно пределов текучести и раскатывания глиняного жгута, % *. Например, если абсолютная влажность глины при нижнем пределе текучести Wт = 45%, а на границе раскатывания Wр = 25%, то степень пластичности составит 45-25 = 20%, а число пластичности будет 20. Оно определяет интервал влажности, в котором глина сохраняет пластическое состояние. По числу пластичности П глины классифицируют (ГОСТ 9169—75) на высокопластичные с П более 25; среднепластичные   с   П=15...25;   умереннопластичные с П = 7..15; малопластичные с П = 3...7 и непластичные (теста из них не получается). Пластичность зависит  от гранулометрического и минералогического состава, вида глинистых минералов. Пластичность можно увеличить механическим измельчением, длительным вылеживанием, промораживанием, добавкой более пластичных глин и пластифицирующих добавок, например лигносульфоната технического (ЛСТ)**. Высокопластичные глины требуют больше воды для, приготовления формовочных масс, их влажность 25—30% и более; влажность среднепластичных глин 20—25%, а для малопластичных 15—20%. При этом глины с большей влажностью более чувствительны к сушке. Пластичность можно уменьшить введением отощающих материалов  (песка, шлака, дегидратированной глины).

Связующей способностью глин называется способность сохранять пластичность при введении в них непластичных материалов (песка, шамота и др.). Глина способна связывать частицы песка или шамота и образовывать прочное изделие. Критерием связующей способности является число пластичности массы. Измеряется связующая способность глин количеством нормального * (ГОСТ 6139—78) песка, при добавлении которого образуется масса с числом  пластичности 7. Высокопластичные глины способны связывать. 60— 80% нормального песка, пластичные — 20—60%, тощие — до 20%. Воздушной усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий, отформованных и высушенных при температуре до 110 °С. Линейная воздушная усадка вследствие удаления из массы воды затворения рассчитывается по формуле, %, L_в= [l₀ – l₁)/ l₀] 100, где l₀ — расстояние между метками, наносимыми по диагонали изделия до сушки, см; l₁ — то же, после сушки до воздушно-сухого состояния, см, колеблется от 2—3 до 10—12% в зависимости от содержания тонких фракций. Объемная воздушная усадка V_в , %, определяется по формуле V_в =[(V₀-V₁)/V₀] 100, где V₀ — объем изделия до сушки, см³; V₁ — объем изделия после сушки, см³. Огневой усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий после обжига вследствие того что легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Определяется огневая усадка по формулам, %: L_обож = [(l₁ - l₂)/l₁] 100; V_обож = [(V₀-V₂)/V₁] 100, где l₁ и V₁ — соответственно линейный размер и объем изделия до обжига; l₂ и V₂ — то же, после обжига. Колеблется от 2 до 8% в зависимости от состава глин. Полную усадку вычисляют по формулам, %:   L = [(l₁- l2)/l₁] 100;    V = [(V₀-V₂)/V] 100. Полная усадка может находиться в пределах от 2 до 15%. Огнеупорностью называется свойство глин сопротивляться действию высоких температур, не расплавляясь, Показателем огнеупорности является температура, при которой пироскоп — образец из данного материала в виде трехгранной усеченной призмы определенных размеров — деформируется под влиянием собственной тяжести,   касаясь   вершиной   керамической   подставки. Огнеупорность зависит от химического состава глин, а также характера газовой среды при обжиге глин, содержащих оксиды железа.  Спекаемость — способность глин под действием высоких температур превращаться в плотный камнеподобный черепок с водопоглощением менее 5%. В зависимости от степени спекания глины делят на сильноспекающиеся, среднеспекающиеся и неспекающиеся. К сильноспекающимся относят глины, способные при обжиге давать черепок без признаков пережога с водопоглощением не выше 2%. Водопоглощение черепка среднеспекающихся глин не выше 5%, а неспекающихся — свыше 5%. По температуре спекания различают глины низкотемпературного спекания (до 1100 °С), среднетемпературного спекания (от 1100 до 1300 °С) и высокотемпературного (свыше 1300 °С. Количественно степень спекаемости глин характеризуется температурным интервалом спекания и интервалом спекшегося состояния. Температурным интервалом спекания называют разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога (оплавление или вспучивание), и температурой начала спекания глины, при которой начинается интенсивное уплотнение обжигаемого материала. Разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога, и температурой, при которой водопоглощение материала равно 5% (ниже этой величины лежит область спекшегося состояния), называют интервалом спекшегося состояния. Интервал спекания — важнейший технологический показатель, он определяет режим конечной стадии обжига изделий, при котором они приобретают кондиционные свойства. Наименьший интервал спекания у: легкоплавких глин (50—100 °С), а наибольший (до 400 °С) — у огнеупорных. Спекаемость — одно из основных свойств, определяющих пригодность глин для производства изделий фасадной керамики.