1694

проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной).

Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранит, диабаз и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие – до 40 см и низкие – до 30 см. Эти камни применяют вместо бетонных при соответствующем тех- нико-экономическом обосновании.

Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку получают механизированным способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза и др.). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды).

Тротуарные плиты производят из гнейсов и подобных им слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20…80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см.

Перечисленныевышеприродныематериалыподвергаютсявоздействию внешних разрушающих факторов; в связи с этим вопросы предохранения каменных материалов от разрушения имеют приоритетное значение в период их эксплуатации.

Основные причины разрушения природных каменных материалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающее внутренние напряжения; частое изменение температуры и влажности, вызывающее появление в материале микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасыщении; химическая коррозия, происходящая под действием газов, содержащихся в атмосфере (SO2, СО2 и др.), и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде.

Конструктивную защиту открытых частей сооружений – цоколей, карнизов, поясков, столбов, парапетов – сводят к приданию им такой формы, которая облегчает отвод воды. Этому же способствует гладкая полированная поверхность облицовки и профилированных деталей. Стойкость пористых каменных материалов, которые не полируются, повышают путем пропитки поверхностного слоя уплотняющими составами и нанесения на лицевуюповерхностьгидрофобизирующих(водоотталкивающих) составов. Кремнефторизацию (или флюатирование) применяют для повышения стойкости наружной облицовки и других материалов, полученных из карбонатныхпород. Припропитыванииизвестнякарастворомфлюата(соли кремнефтористоводородной кислоты) происходит химическая реакция:

2СаСОз + МgSiF6 = 2СаF2 + МgF2 + SiO2 + 2CO2.

Полученные нерастворимые в воде вещества СаF2, МgF2 и SiO2 отлагаются в порах и уплотняют лицевой слой камня. В результате этого

61

уменьшаетсяеговодопоглощениеивозрастаетморозостойкость; облицовка из камня меньше загрязняется пылью.

Некарбонатные пористые каменные материалы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей (например СаС12), а после этого пропитывают флюатами.

Гидрофобизация, т.е. пропитка гидрофобными составами (например кремнийорганическими жидкостями), понижает проникновение влаги в пористыйкамень, вчастности, прикапиллярномподсосе. Длязащитыкамня от коррозии применяют пленкообразующие полимерные материалы – прозрачные и окрашенные. Также пропитывают поверхность камня мономером с последующей его полимеризацией.

Вопросы для самоконтроля

1.Как классифицируют горные породы в зависимости от условий их образования?

2.Расскажите об условиях образования магматических горных пород и назовите области их применения в строительстве.

3.Перечислите основные осадочные горные породы, назовите области их применения.

4.Как образовались метаморфические горные породы? Назовите области их применения.

5.Из каких горных пород образовались следующие метаморфические горные породы: мрамор, кварцит, гнейс, глинистые сланцы?

6.Какие горные породы – изверженные, осадочные или метаморфические – чаще всего используются в качестве сырья для производства строительных материалов?

7.Опишитеосновныевидыматериаловиизделийизприродногокамня.

8.Назовите способы защиты природных каменных материалов от воздействия внешней среды.

62

4. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

4.1. Общие сведения

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких температурах.

Название «керамика» происходит от греческих слов «keramike» – гончарное искусство и «keramos» – глина. Поэтому под технологией керамики всегда подразумевали производство материалов и изделий из глинистого сырья и смесей его с органическими и минеральными добавками.

Глины в истории человечества были и являются одним из основных видов строительных материалов. Вначале – 8000 лет до н.э. – глины применялись в необожженном виде для глинобитного строительства и изготовления саманного и сырцового кирпича, 3500 лет до н.э. отмечается начало использования керамического кирпича, а 1000 лет до н.э. – глазурованного кирпича и черепицы. С середины первого тысячелетия в Китае начинается производство изделий из фарфора. В России первый кирпичный завод был построен в Москве в 1475г., а в 1744 году в Петербурге начал работать первый фарфоровый завод. В конце XVIII – середине XIX в. бурное развитие металлургической, химической и электротехнической промышленности привело к развитию производства огнеупорной, кислотоупорной, электроизоляционной керамики и плиток для полов. С начала текущего столетия получило широкое распространение производство эффективного кирпича и пустотелых камней для возведения стен и перекрытий, а также изготовления керамических плиток для внутренней и наружной отделки и санитарно-технических изделий. В последнее время расширяется производство специальной керамики с уникальными свойствами для нужд ядерной энергетики, машиностроения, электронной, ракетной и других отраслей промышленности. Большой практический интерес представляют керметы, состоящие из металлической и керамической частей.

Современное строительное производство использует широкий круг керамических материалов и изделий с различными свойствами. Их классифицируют по ряду признаков:

–по назначению керамические изделия подразделяются на стеновые, кровельные, отделочные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарнотехнические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные, заполнители для бетонов и др.;

–по структуре разделяют на пористые, имеющие водопоглощение по массе более 5% (кирпич и камни стеновые, кровельные, облицовочные материалы, дренажные трубы и др.), и плотные, имеющие водопоглощение

63

кристаллическая решетка глинистых минералов относится к типу слоистых, причем некоторые минералы (типа каолинита) имеют асимметричное строение пакета, т.е. на одной стороне пакета расположены водородные ионы, на другой – ионы кислорода (рис. 4.1). Такие пакеты, примыкающие разными слоями, связываются достаточно прочно друг с другом; поэтому вода очень слабо проникает между слоями монокристалла каолинита, не увеличивая межплоскостные расстояния, и в основном адсорбируется на поверхности слоев.

Другие минералы (типа монтмориллонита) имеют симметричное строение пакета, т.е. на обеих поверхностях его расположены ионы кислорода. В результате между пакетами очень слабая связь, и вода, проникая туда, расширяет кристаллическую решетку минерала. Наибольшая величина набухания характерна для монтмориллонитовых глин, наименьшая – для каолинитовых глин.

Рис. 4.1. Схема кристаллической решетки: а – каолинита; б – монтмориллонита

Кристаллическая решетка гидрослюд структурно сходна с решеткой монтмориллонита.

Химический состав глин выражается содержанием и соотношением различныхоксидов. Вкерамическомсырьесодержаниеважнейших оксидов колеблется в широких пределах: SiO2 – 40…80%; Al2O3 – 8…50%; Fe2O3 –

0…15%; СаО – 0,5…25%; МgO – 0…4%; R2O – 0,3…5%. С увеличением содержания Al2O3 повышается пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания SiO2 – пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсного известняка придает светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а

65

камневидные включения его являются причинами появления «дутиков» и трещинвкерамическихизделиях. Оксидыщелочныхметаллов(Nа2O иК2O) являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности. Наличие в глинистом сырье растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности изделий.

Свойства глин как сырья для керамических изделий.

Пластичностью глин называют способность глиняного теста под давлением изменять форму (деформироваться) без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки.

Пластичные свойства глин характеризуются влажностью и изменяются дляоднойитойжеглинывзависимостиотколичестваводы. Переходглины от одной консистенции к другой совершается при определенных значениях влажности, которые получили название пределов влажности.

Влажность (% по массе), при которой глина переходит из пластичного состояния в текучее, называется верхним пределом пластичности или границей текучести W1.

Влажность (% по массе), при которой глина переходит из пластичного состояния в хрупкое, называется нижним пределом пластичности или границей раскатывания W2.

Разность между верхним и нижним пределами пластичности является характеристикой пластичности глин (табл. 4.1) и называется числом пластичности:

П W1 W2 .

Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80…90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10…15%.

Средне- и умеренно-пластичные глины имеют в своем составе 30…60%

глинистых частиц, число пластичности 15…25, водопотребность 20…28% и воздушную усадку 7…10%.

66

Малопластичныеглиныимеютвсвоемсоставеот5% до30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7…15 и воздушную усадку 5…7%.

Непластичные глины не образуют пластичное удобоформуемое тесто. Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют «жирными», отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют «отощающие» добавки. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10…15% – «тощие» глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например бентониты (высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита, содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85…90%). Связующая способность глины – способность глиняного теста связывать зерна непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец. Характеризуется степенью связности – усилием, необходимым для разъединения

частиц глины.

Воздушная усадка – уменьшение размеров и объема сырца при его сушке за счет испарения свободной воды; она колеблется от 2 до 12% и может быть уменьшена введением отощителей и поверхностно-активных веществ, сокращающих формовочную влажность глин.

Огневая усадка – изменение размеров и объема изделий в процессе обжига, обусловленное расплавлением легкоплавких составляющих глин и сближением частиц глины между собой; она составляет от 2 до 8% и тем выше, чем больше температура обжига.

Полная усадка равна сумме воздушной и огневой усадок. Огнеупорность – свойство глин выдерживать воздействие высоких тем-

ператур, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности различают огнеупорные (не ниже 1580оС), тугоплавкие (1350…1580оС) и легкоплавкие (ниже 1350оС) глины.

Спекаемость– свойствоуплотнятьсяприобжигеиобразовыватькамнеподобный черепок. Интервал между температурой начала спекания и температурой, при которой появляются первые признаки пережога, называется интервалом спекания. Чем он больше, тем легче управлять процессом обжига, тем меньше опасность деформаций изделий.

Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического составов компонентов обусловливает различные свойства глинистого сырья и его пригодность для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения.

Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью, малопластичны и малочувствительны к сушке.

67

Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, при формовке склонны к свилеобразованию, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривления изделий и растрескивания.

Образцы с преобладанием в глинистой части гидрослюдистых минералов характеризуются промежуточными показателями пластичности, усадки и чувствительности к сушке.

Внастоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьем для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения.

4.2.2.Добавки к глинам

Впроизводствекерамикивзависимостиотвидаизготовляемыхизделий

иот природных свойств глин используют следующие добавки.

1. Отощающие добавки вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок используют:

Шамот – зернистый керамический материал (0,14…2 мм), получаемый измельчениемглины, предварительнообожженнойпритойжетемпературе, при которой обжигаются изделия. Улучшает сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его применяют для получения высококачественных изделий – лицевого кирпича, огнеупоров и др.

Дегидратируемая глина при температуре 700…750°С, добавляемая в количестве 30…50%, улучшает сушильные свойства сырца и внешний вид кирпича.

Песок (0,5…2 мм) добавляют в количестве 10…25%.

Гранулированный доменный шлак (до 2 мм) – отощитель глин, исполь-

зуемый при производстве кирпича. Это эффективный путь утилизации промышленных отходов.

Роль отощителей выполняют также золы ТЭС и выгорающие добавки.

2.Порообразующие добавки (древесные опилки, измельченный бурый уголь, золы ТЭС и лигнин) вводят для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью, они также способствуют равномерному спеканию керамического черепка.

3.Плавни, глазури и ангобы.

Плавни (полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезия, тальк и др.) добавляют в глину, когда необходимо понизить температуру ее спекания.

Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью (сырье – кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, борная кислота, бура, оксид свинца) или ангобом (сырье – белая или цветная глина).

68

4.Пластифицирующие добавки (высокопластичные глины, бентониты,

атакже поверхностно-активные вещества – сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и др.) вводят с целью повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды.

5.Специальные добавки. Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).

4.3. Общая схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующихопераций: карьерныеработы, механическаяобработкаглиняной массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

Карьерные работы включают добычу, транспортировку и хранение промежуточного запаса глины. Вылеживание замоченной глины и ее вымораживание в течение годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она разрушается на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.

Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить каменистые включения, гомогенизировать (т.е. сделать однородной) керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. После выделения каменистых включений глину нужно промять в глиномялках с водяным орошением и паровым увлажнением до получения пластичной удобоукладываемой массы.

Формование. 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 водой до получения теста с влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу. На рис. 4.2 приведена одна из технологических схем производства кирпича пластическим способом.

69