Химия в
строительстве
доктор технических наук, профессор
Матвеева Лариса Юрьевна
Содержание
Модуль 2. Неорганические строительные материалы
Керамические материалы. Фарфор. Фаянс
Огнеупорные
Керамические материалы
•К керамическим обычно относят материалы, получаемые путем спекания порошкообразных неорганических веществ (или природных высокодисперсных материалов, таких как глины). Под спеканием понимают термическое омоноличивание материала при температурах ниже точки плавления. Различают традиционную керамику, получаемую из недорогого, повсеместно доступного сырья и широко применяемую в строительстве и быту, и высокотехнологичную керамику, получаемую из значительно более дорогого сырья и применяемую, в частности, в электронике, химической технологии, других высокотехнологичных отраслях промышленности.
По структуре керамику подразделяют на грубую (керамический и силикатный кирпич, часть огнеупоров) и тонкую (фарфор, фаянс, большая часть высокотехнологичной керамики).
Первая характеризуется крупнозернистой, неоднородной в изломе структурой, вторая – однородной мелкозернистой структурой.
Различают также пористую керамику (пористость 5– 30%), к которой относятся, в частности, кирпич, фаянс, керамическая плитка, и компактную керамику (пористость ниже 5%), представленную фарфором, керамогранитом и некоторыми другими материалами.
Получение
керамики
Важнейшую роль в процессах получения керамических изделий играют процессы спекания. Спекание может быть твердофазным (например, при получении керамического кирпича) или протекать в присутствии жидкой фазы (при производстве фарфора, фаянса и др.). Спекание в твердой фазе осуществляется по двум механизмам: за счет испарения с последующей конденсацией или за счет диффузии. Первый механизм реализуется сравнительно редко, поскольку для эффективного переноса вещества нужна высокая упругость паров, достижимая, как правило, при температурах выше 2000°С. Наиболее распространено диффузионное спекание, при котором перенос вещества происходит за счет миграции атомов внутри кристаллической решетки.
В твердых неорганических веществах, особенно с ковалентным типом решетки, где доля свободного объема и амплитуда колебаний атомов незначительны, диффузия обусловлена, в первую очередь, наличием дефектов кристаллической решетки, возникающих при изготовлении материалов, их термообработке и других воздействиях, например при введении специальных добавок. Процессы диффузии значительно ускоряются при нагревании: кристаллическая решетка становится более рыхлой, в ней увеличивается число дефектов.
Получение керамики
На скорость твердофазных реакций существенно влияет дисперсность вещества. Равномерность и степень измельчения увеличивают площадь поверхности зерен и величину поверхностной энергии, вследствие чего возрастает скорость химического взаимодействия. Интенсивность взаимодействия существенно возрастает также при прессовании порошков (особенно с одновременным нагревом – горячее прессование), которое способствует увеличению поверхности соприкосновения частиц.
Значительно эффективнее процессы спекания происходят в присутствии расплава (обычно 5–10% объема), дающего при остывании стекловидную фазу. Частичное плавление шихты при более низких температурах, чем те, при которых проводится спекание, достигается обычно за счет примесей в сырье или путем использования специальных добавок (плавней, или флюсов).
Появление жидкой фазы в 104-107 раз увеличивает площадь поверхности взаимодействия между реагентами. Диффузия в этом случае идет через расплав, в котором коэффициенты диффузии значительно выше, чем в твердых фазах.
Керамический
(глиняный)
кирпич
Обожженный глиняный кирпич использовался в Древнем Египте уже в шестом тысячелетии до н.э. Со времен античности вплоть до XX века н.э. глиняный кирпич играл роль одного из важнейших строительных материалов и только с середины прошлого века начал вытесняться бетоном и железобетоном.
Сырьем для производства кирпича являются суглинки или глины разнообразного состава, содержащие всегда три основные фракции:
глинистую, песчаную и карбонатную.
Первая образована различными минералами глин, в первую очередь каолинитом и иллитом, и обеспечивает пластичность теста.
Вторая, состоящая главным образом из кварцевого песка, наоборот, является непластичным компонентом и обеспечивает сохранение формы кирпича в процессе сушки и обжига.
Третья, содержащая в основном известняк (СаСO3) со значительной примесью МgСO3, вносит значительный вклад в образование пористости кирпича, а также в некоторых случаях играет роль флюса. Кроме того, сырье всегда содержит сульфаты, органические остатки и влагу.
Керамический
кирпич
После размола, увлажнения, формования и сушки сырые кирпичи подвергают обжигу при температурах до 950-1000 °С в печах туннельного типа. При этом в различных температурных зонах происходят следующие процессы:
а) |
до 200 °С удаление свободной воды и межслоевой воды глины; |
б) |
300-350 °С выгорание органических веществ, содержавшихся в |
сырье или введенных специально с целью повышения пористости |
|
кирпича; |
|
в) |
573 °С полиморфное превращение альфа-кварца в бета-кварц (при |
охлаждении – обратное превращение); |
|
г) |
600-800 °С окончательное обезвоживание и разрушение кристалли- |
ческих решеток глинистых минералов с образованием аморфного кремне- зема и гамма-глинозема, в частности для каолинита:
А12O3∙2SiO2∙2Н2O = γ-А12O3 + SiO2 (ам.) + 2Н2O;
д) 950-1000 °С реакции между твердыми продуктами разложения гли- ны, завершающиеся образованием муллита:
3А12O3 + 2SiO2 = 3А12O3∙2SiO2.
|
Керамический |
|
кирпич |
|
Вследствие относительно невысокой температуры обжига |
|
образование муллита происходит не полностью. Оставшийся аморфный |
|
кремнезем частично кристаллизуется, образуя тридимит или |
|
кристобалит. Содержащиеся в сырье карбонаты разлагаются при 600-900 |
|
°С, образующиеся оксиды кальция и магния реагируют с кремнеземом и |
|
глиноземом, образуя низкоосновные силикаты и алюминаты. Железо, |
|
входящее в состав глины, в результате обжига превращается в гематит |
|
Fe2O3, результатом чего является красная окраска кирпича. |
|
Минералогический состав обожженного кирпича складывается из |
|
муллита, кварца, тридимита, гематита, а также алюминатов и силикатов |
|
кальция и магния, частично в виде стекла. |
|
Пористость полнотелого кирпича обычно составляет 8–13%, что |
|
позволяет ему сохранять достаточную прочность (5–15 МПа)и придает |
|
ему хорошие тепло-изоляционные свойства. |
|
По своим химическим свойствам кирпич является довольно инертным |
|
материалом, в частности, по отношению к воде и кислотам, менее |
|
стойким – по отношению к щелочам. |
|
Обожженный при более высоких температурах кирпич называют |
|
клинкером. От обычного кирпича он отличается высокой твердостью и |
|
прочностью, главным образом, вследствие пониженной пористости и |
|
повышенного содержания стеклообразной фазы. Недостатком его |
|
является плохое сцепление с цементным вяжущим. |
Фарфо 
р
Керамический кирпич является типичным представителем грубой пористой керамики, а
фарфор, наоборот, можно считать представителем тонкой непористой керамики. В то же время, как и
кирпич, фарфор относится к традиционной керамике.
Фарфор получают из сырьевой смеси, состоящей из
глинистого компонента (каолин и белая глина),
обеспечивающего необходимый химический состав материала и пластичность сырьевой массы, кварца (структурообразующий компонент) и полевого шпата, в основном калийсодержащего (плавень). Количественные соотношения компонентов заметно различаются для разных типов фарфора, но «классическая» формула предполагает соотношение 2:1:1. После тонкого измельчения и перемешивания
компонентов производят формование изделия - полуфабриката с последующими сушкой и обжигом.