Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Архитектурно-дизайнерское материаловедение. В 3 частях. Ч. 2. Строительные материалы. Керамические материалы. Материалы на основе стеклянных расплавов
.pdf
11
лет до н. э. в Древнем Египте возводились глинобитные сооружения
из сырцового кирпича (без специальной тепловой обработки, чему
способствовал сухой тёплый климат). В Месопотамии самую значительную роль в архитектуре играл керамический кирпич, который
широко использовался при строительстве дворцов, каналов, мостов,
культовых сооружений. Так, на строительство знаменитой Вавилонской башни высотой 90 м израсходовано не менее 40 млн шт. кирпича. Приемы украшений фасадов зданий керамическим кирпичом с
глазурованной лицевой поверхностью и другими керамическими изделиями оказали впоследствии большое влияние на искусство зодчих
Востока. К шедеврам древней культуры Китая относятся расписные
керамические сосуды. Всемирно известным памятником середины Iго тысячелетия до н. э. является Великая Китайская стена. Её начали
строить в IV в. до н. э. из керамического кирпича и камня с засыпкой
землёй. Длина стены со всеми ответвлениями составляет 6247 км, высота – до 10 м, ширина – от 5 до 8 м. Облицовка некоторых секций
состоит из трёх–четырёх плотных слоев кирпича. С середины первого
тысячелетия в Китае начинается производство изделий из фарфора.
Керамические материалы широко применялись в Древней Руси
на протяжении многих сотен лет. В то время как в странах Западной
Европы изготавливали лишь двухцветные керамические плитки, в великокняжеских мастерских Киева с Х века их делали многоцветными
– для облицовки стен и полов. Вообще, строительство кирпичнокаменных культовых сооружений было распространено в Суздале,
Великом Новгороде, Смоленске, Чернигове и других городах.
До конца XIV века кирпичи использовались, в основном, для
культовых построек, для городских стен и башен. К XV веку производство кирпича расширилось и произошла замена системы византийской каменной кладки на русскую, годную для жилого строительства. В России первый кирпичный завод был построен в Москве в
1475 году, а в 1744 г. в Петербурге начал работать первый фарфоровый завод. В конце XVIII–середине XIX века бурное развитие металлургической, химической и электротехнической промышленности
привело к развитию производства огнеупорной, кислотоупорной,
электроизоляционной керамики и плиток для полов. С начала текущего столетия получило развитие производство эффективного кирпича и
пустотелых камней для возведения стен и перекрытий, а также керамических плиток для внутренней и наружной отделки и санитарнотехнических изделий.
11
12
В зависимости от типоразмеров и формы, которые на протяжении
столетий претерпели изменения, различают плинфу (рис. П.1.5),
большемерный кирпич, маломерный и стандартный.
Условный период построек из плинфы – XI–XII века, а её размеры 28×23×4,5 см. Из этого тонкого, хорошо обожжённого кирпича,
выложены стены культовых сооружений XII века в Киеве, Смоленске
и других городах. Большемерный кирпич размером 29×14×8,5 см с
отклонением 1–2 см (в других габаритах) применялся в XV–XVIII веках. Из него строили стены, своды и другие конструкции. Маломерный кирпич толщиной 4,5–5,5 см применялся в XVI–XVIII веках, в
частности, при строительстве зданий в Санкт-Петербурге. Стандартные кирпичи близки по размерам к кирпичу современному (25×12×6,5 см)
и применялись в XVII–XX веках. Необычные композиции можно было получить с использованием различных типоразмеров кирпича, так,
при строительстве храма Вознесения в Коломенском было применено 9 типоразмеров, а при строительстве храма Василия Блаженного в
Москве – 18 типоразмеров [1, с. 113].
Не меньшую значимость, особенно с эстетической точки зрения
имело применение керамических изразцов – изделий разнообразной
формы, часто с покрытием лицевой поверхности многоцветными глазурями. Изразцы изготавливались различной формы, цвета и украшали многие сооружения древности. Наиболее распространенные цвета
– зелёный, синий, жёлтый, белый. Черепица производилась в основном плоская, но иногда делалась выпуклой по форме головы. Этим
кровельным материалом покрывали главы церквей и храмов, сложенные из кирпича, а также колокольни. Черепица, обычно толщиной 1–
1,5 см, крепилась коваными гвоздями. Один слой перекрывал другой,
предохраняя от воды основную конструкцию шатра. При этом угол
наклона для слива воды должен был быть не менее 60º. Черепица
окрашивалась в желтовато-коричневые цвета, часто имела покрытие
зелёной глазурью.
1.2. Сырьё и основы производства
Основным сырьевым материалом для производства строительных
керамических изделий является глинистое сырьё, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками – отощающими, породообразующими и др. Глинистое сырьё (глины и каолины) – продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий
12
13
примеси других горных пород. Помимо глинистых частиц в составе
сырья имеется определённое содержание пылевидных и песчаных частиц. Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, даёт легко формируемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объёму. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин.
В зависимости от этого классифицируют глину по содержанию
глиняных частиц:
высокопластичная глина имеет в своем составе до 80–90 % гли-
нистых частиц;
средне- и умеренно-пластичная глина имеет в своём составе 30–
60 % глинистых частиц;
малопластичная глина имеет в составе от 5 % до 30 % глинистых
частиц.
Глину с содержанием глинистых частиц более 60 % называют
«жирной», – она отличается высокой усадкой, для снижения которой
в неё добавляют «отощающие» добавки. Глина с содержанием глинистых частиц менее 10–15 % – «тощая», в неё при производстве вводят
обогащающие добавки.
Основные этапы производства керамических изделий являются
общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг. Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом
экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и
запасов глины; счистка поверхности от растений за год–два до начала
разработки, удаление пород, непригодных для производства.
Для того чтобы придать керамическим изделиям те или иные
свойства (прочность, теплопроводность и т. д.) в процессе производства в глину вводят различные добавки.
Отощающие добавки – их вводят в пластичные глины для
уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформа-
13
14
ций и трещин в изделиях. К ним относятся: шамот, шлаки, золы,
кварцевый песок.
Порообразующие добавки – их вводят для повышения пористости
черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся: древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими.
Плавни – их вводят с целью снижения температуры обжига керамических изделий. К ним относятся: полевые шпаты, железная руда,
тальк, песчаник, стеклобой.
Пластифицирующие добавки – их вводят с целью повышения
пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. К ним
относятся высокопластичные глины.
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).
После подготовки сырья идёт процесс формования. Он проводится одним из четырёх способов: пластический, сухой, литьё и экструзия.
При пластическом способе керамическое сырьё должно обладать
определённой степенью влажности, из неё формуют изделия на ленточных прессах, а также на вакуумных и гидравлических установках.
Способ полусухого формования предполагает использование керамических пресс-порошков с влажностью, которые уплотняются под
давлением в специальных формах.
Способ литья применяют обычно при получении сравнительно
тонких керамических материалов (мозаичных плиток толщиной 2
мм). Жидкая керамическая масса (шликер) поступает в специальные
поддоны на автоматизированной конвейерной линии.
При экструзии влажная керамическая масса выдавливается через
определённое отверстие (экструдированная плитка).
Цель процесса сушки – снизить усадочные деформации и предотвратить возможное растрескивание материала при последующем обжиге. При сушке керамических изделий несколько уменьшается их
объём за счет снижения толщины оболочек глинистых частиц, пропитанных водой, повышается прочность сырца. В процессе обжига образуется структура керамического материала, определяющая его
свойства, в том числе прочность. Возможные дефекты при обжиге не-
14
15
обратимы. При отклонении от оптимальной для данного материала
температуры возможен пережог, происходит потеря формы, оплавление поверхности. При недожоге ухудшаются эксплуатационнотехнические свойства.
Процесс производства может предусматривать одно- или двукратный обжиг. При однократном обжиге выпускают плитки неглазурованные и глазурованные – от светло-жёлтого до красного цветов. После двукратного обжига получают глазурованную плитку с более высокой себестоимостью и качеством лицевой поверхности (майолика,
фаянс).
Некоторые виды керамических изделий для повышения санитар-
но-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем – глазурью или ангобом.
Глазурь – стекловидное покрытие толщиной 0,1–0,2 мм, нанесен-
ное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными), различного цвета – хроматические и ахроматические. Для изготовления глазури используют
кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли металлов. Сырьевые
смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в
виде порошка или суспензии перед обжигом.
Сериография – изготовление по фотоснимку рисунка сетки-
трафарета, при помощи которой красящий состав наносят на материал, затем изделие глазуруют и обжигают.
Шелкография – нанесение орнаментированного рельефа глуби-
ной до 1 мм при прессовании материала металлическим штампом с
рисунком. Рельефный рисунок может быть получен также при пульверизации глазури на металлический трафарет, который устанавливают на высушенный материал.
Ангоб – нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или
цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью.
1.3. Керамические материалы и изделия
В понятие «керамические материалы и изделия» входит широкий
круг материалов с различными свойствами. Их классифицируют по
ряду признаков.
По назначению керамические изделия подразделяют на: стено-
вые, отделочные, кровельные, для пола, для перекрытий, дорожные,
15
16
санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные и заполнители бетонов.
По структуре различают керамические материалы с пористым и
спекшимся (плотным) черепком. К пористым относятся изделия как
грубой керамики (керамические стеновые кирпич и камень, изделия
для кровли и перекрытий, дренажные трубы), так и тонкой керамики
(облицовочные плитки, фаянсовые). К плотным керамическим мате-
риалам принадлежат изделия грубой керамики (клинкерный кирпич,
крупноразмерные облицовочные плиты), и тонкой керамики (фаянс,
полуфарфор, фарфор).
По температуре плавления керамические материалы и изделия
подразделяются на легкоплавкие (температура плавления – ниже 1350 ºС),
тугоплавкие (температура 1350–1580 ºС), огнеупорные (1580–2000 ºС),
высшей огнеупорности (более 2000 ºС).
Роль строительных материалов могут выполнять керамические
материалы, выделяемые в отдельные группы: огнеупоры, предназначенные для использования в условиях высоких температур в различных тепловых агрегатах; химически стойкая керамика, способная в
течение длительного времени противостоять действию химических
реагентов и предназначенная для изготовления конструктивных элементов зданий, транспортирования и хранения различных веществ;
техническая керамика, отличающаяся рядом специальных свойств,
позволяющих применять её в конструкционных, электроизоляционных и других изделиях.
К крупноразмерным стеновым керамическим изделиям относятся
керамические блоки и панели. Блоки изготавливают из полнотелого и
пустотелого кирпича и камня на специальных механизированных
установках с заполнением швов цементно-песчаным раствором. Максимальная длина блока может достигать 3500 мм. Применение стеновых блоков даёт возможность уменьшить общие затраты на возведение стен и сократить сроки строительства по сравнению со штучной
кладкой из кирпича. Основными недостатками применения таких
блоков являются сложность монтажа, большое количество типоразмеров и увеличение расхода цемента.
Панели проектируют толщиной в один, полтора или два кирпича
(до 540 мм) в зависимости от воспринимаемой нагрузки. Их армируют горизонтальными и вертикальными сварными стальными каркасами.
16
17
К мелкоразмерным стеновым керамическим изделиям относят
керамические кирпичи и камни. Их разделяют: по назначению – на
рядовые (для кладки внешних и внутренних стен) и лицевые (для облицовки стен зданий и сооружений); по способу изготовления – на
изделия пластичного и полусухого прессования; по теплотехническим
свойствам: на эффективные, условно эффективные и обыкновенные (в
зависимости от коэффициента теплопроводности). Различают одинарные, утолщённые и модульные кирпичи. Камни бывают рядовые,
модульные и укрупнённые. Кирпич изготавливают полнотелым и пу-
стотелым (рис. 1), камень – только пустотелым. Пустоты размещаются перпендикулярно или параллельно наибольшей грани изделий и
могут быть сквозными и несквозными.
Рис. 1. Пример пустотелого кирпича
Кирпичные стены зданий из полнотелого кирпича возводят, как
правило, в 2,5 кирпича – толщиной 64 см. При применении пустотелого кирпича толщина стены уменьшается на полкирпича.
К мелкоразмерным изделиям принадлежит также черепица – кровельный керамический материал. Главная особенность керамической
черепицы – высокая долговечность, однако при этом имеются и недостатки: большая масса и хрупкость, высокая трудоёмкость устройства черепичной кровли.
У студентов направления «Дизайн» (профиль «Дизайн среды») всегда вызывают живой интерес экскурсии в Музей омского кирпича, который был открыт в 2006 году на базе Института новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов («ИНТА-Строй»). Институт специализируется в разработке новых технологий и оборудования для производства строительной керамики и пенобетона, модернизации и реконструкции действующих
предприятий. Основным результатом работы является создание автоматизированного кирпичного завода полусухого прессования и полуавтоматического
комплекта оборудования для производства теплоизоляционных пенобетонных
блоков мощностью 12 млн шт. кирпича в год.
Студенты кафедры дизайна, рисунка и живописи под руководством автора
являются постоянными посетителями этого музея, потому что – это история Ом-
17
18
ска и Сибири, запечатленная в кирпиче, история освоения новых земель, строительства крепостей и роста городов, развития архитектуры и промышленности
(рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент экспозиции Музея омского кирпича
Главные герои экспозиции – подлинные образцы керамических строительных материалов XVIII–XXI вв. Среди экспонатов музея есть уникальные экземпляры кирпичей – материальное подтверждение славных исторических страниц
Сибири. Например, кирпич из стены Тобольского Кремля (1708–1709 гг.), на нем
нет клейма, но есть отпечатки пальцев, оставшиеся после формовки. Считается,
что в это время на кирпичных заводах Тобольска работали пленные шведы (после взятия Нарвы и Полтавской битвы). Есть кирпич от Спасской церкви (1761
г.) города Тары, которая считается одним из первых кирпичных зданий на современной территории Омской области и кирпич от здания гауптвахты (1799 г.)
и крепостного дома – ныне музей Ф. М. Достоевского. Во время омской каторги
писатель был задействован на формовке кирпичей и строительстве здании, о чем
есть свидетельство в его книге «Записки из мертвого дома». В экспозиции можно увидеть образцы кирпичей не только с клеймом той или иной мануфактуры,
но и с отпечатком собачьей или птичьей лапки. Всего в собрании музея насчитывается около ста тридцати оригинальных образцов (в том числе и новейших –
экспериментальных). А во время экскурсии студентам предлагается попробовать
18
19
самим вручную изготовить с использованием старинной деревянной формы и
колотушки кирпич.
1.4. Свойства керамических материалов
Эксплуатационно-технические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером структуры, образующейся
в процессе обжига. Прочность керамических материалов зависит от
их пористости. Водопоглощение, как правило, низкое, а морозоустой-
чивость достаточно высока. Коррозийная стойкость и термостойкость (способность выдерживать резкие температурные перепады)
зависят от условий применения.
Истираемость плитки для полов является одной из определяющих характеристик и оценивается по пяти группам: 1–2 группа плитки применяется в местах без интенсивного движения (где используется мягкая обувь), 5 группа – для общественных помещений с интенсивным движением (магазины, вокзалы, метро, аэропорты).
Требования к безопасности плиток для горизонтальных покрытий
основываются на сопротивлении скольжению (комнаты для переодевания, зоны прохождения босых людей, кухни, туалеты).
Эстетические свойства связаны с видом и составом используемого сырья, параметрами различных технологических операций. Рельефный рисунок получают при обработке лицевой поверхности специальными валиками, щётками, гребёнками или горизонтальными струнами. Сухую минеральную крошку вдавливают в тело глиняного бруса, получая оригинальные зернистые фактуры.
Декоративный слой с гладкой матовой или блестящей фактурой
получают путём глазурования или ангобирования. К важному критерию качества керамических плиток относится их правильная геометрия – отсутствие отклонений от установленных размеров, правильные
углы, ровная поверхность. Вместе с тем они могут отличаться по размерам, т. к. в процессе производства, особенно после обжига изделий
с плотной структурой, происходят нерегулируемые процессы. Фак-
тический размер плитки в мм, называемый калибром, обычно указывается на упаковке рядом с номинальным для данной плитки. Например, размер 20×20 см (198×198 мм), где 198 мм – калибр.
Керамические изделия находят большое применение в строительстве. Неограниченные запасы широко распространенного сырья
(глины), простота технологии и многовековый опыт производства, а
19
20
также высокая долговечность, способствующие разнообразному
применению.
Некоторые виды керамических материалов до сего времени являются незаменимыми и наиболее распространенными в строительстве. Так, несмотря на многообразие стеновых материалов, особенно железобетонных, выпуск глиняного кирпича составляет очень
большую долю в производстве всех стеновых материалов. Керамические облицовочные плитки (несмотря на развитие производства облицовочных плиток на основе полимеров) все еще остаются основным материалом для отделки санитарных узлов и других помещений
с режимом повышенной влажности, химической агрессивности и высоких гигиенических требований. Для облицовки зданий керамические
материалы также не потеряли своего значения, хотя появилось много новых видов облицовочных материалов. Особенно велик рост выпуска таких керамических материалов, как керамзит. За последние
годы производство пустотелой керамики составило около 4 % общего объема выпуска кирпича и достигло 1 млрд шт. условного кирпича.
В зарубежных странах пустотелая керамика по сравнению с обыкновенным кирпичом заняла ведущее положение.
Итак, глина и каолины – это главные сырьевые компоненты в
производстве керамических строительных материалов. По содержанию глиняных частиц различают высокопластичную, умереннопластичную и малопластичную глину. Добавки в процессе производства формируют различные свойства керамических материалов.
Среди добавок наиболее значимые – плавни, отощающие, порообразующие, пластифицирующие и специальные (например, для повышения кислотоустойчивости). В производстве керамических материалов существуют несколько способов процесса формования керамических изделий: пластический, сухой, литьё и экструзия. Термины и
определения, рассмотренные в данной главе: «керамический черепок»,
«ангоб», «глазурь», «сериография», «шелкография», «плинфа» и др.
Автор не мог обойти вниманием памятники архитектуры Омской
области и культурное наследие других стран, чтобы студентыдизайнеры понимали значимость выбранной профессии.
Кирпич является весьма древним строительным материалом (пожалуй,
раньше появились только камень и дерево). В Библии есть упоминание о кирпиче
как о строительном материале уже применительно к временам расселения людей сразу после Великого потопа, то есть на заре сознательной истории человечества: «И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжём огнем. И стали
у них кирпичи вместо камней». (Ветхий завет. Бытие. Гл. 11-3).
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]