2. Неорганические материалы с высокотемпературной обработкой

Наибольшую долю материалов, применяемых в строительстве, составляют материалы керамического типа, силикаты и материалы на неорганических вяжущих. Это керамический и силикатный кирпич, стекло, портландцемент и изделия из него, т.е. материалы, полученные при высокотемпературной обработке минерального сырья. При температуре плавления или спекания химические элементы получают большую энергию, при воздействии которой происходят реакции, изменяющие их минеральный и даже химический состав.

Получают эти материалы из добытых в земной коре минералов силикатной группы: каолина – Al₂O₃· 2SiO₂· 2H₂O, слюды белой – K₂O· 3Al₂O₃· 6SiO₂ 2Н₂О, ортоклаза – K₂O ·Al₂O₃· 6SiO₂, асбеста – CaO· 3MgO· 4SiO₂, кальцита СаСО₃ и др. К природным силикатам принадлежат полевые шпаты, глины, слюды, тальк, асбест и др. В состав некоторых слюд входят ещё кальций, магний, натрий и железо. Из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды состоят самые распространённые полиминеральные горные породы – граниты, а гранитный слой – это реликтовое покрытие земной коры, от выветривания которого произошли осадочные наслоения на поверхности

Земли.

2.1 Керамические материалы

Они характеризуются прочностью, термической и химической стойкостью, твёрдостью.

Материалы, получаемые путём спекания вязких смесей из высокодисперсных порошков глин при температуре 1000°С и более, относят к керамическим. Под спеканием понимают термическое омоноличивание материала при температурах ниже точки плавления. Спекание может быть твёрдофазовым (при получении кирпича), или протекать в присутствии жидкой фазы (при производстве фаянса, фарфора). Спекание осуществляется за счёт диффузии, миграции атомов внутри кристаллической решётки. На скорость диффузии влияет дисперсность вещества. Степень измельчения увеличивает площадь поверхности зёрен и величину поверхностной энергии, за счёт чего возрастает скорость химического взаимодействия. В присутствии расплава (обычно 5-10% от объёма), дающего при остывании стекловидную фазу, процессы спекания проходят интенсивнее. Частичное плавление смеси происходит при более низкой температуре за счёт использования специальных добавок – плавней.

В состав глин входят водные алюмосиликаты коллоидно-дисперсных размеров, более 50% частиц менее 0,01 мм. Это минералы: монтмориллонит, каолинит, иллит, галлуазит, гидрослюды и др. Минералогический состав глин можно обозначить общей формулой как Al₂O₃∙ mSiO₂ ∙nH₂O с примесями оксидов железа, щелочных окислов, карбонатов и др. Содержание основных оксидов в глинах разных месторождений колеблется и поэтому свойства глин разные. С увеличением содержания глинозёма – Al₂O₃ повышается пластичность и огнеупорность глин, с повышением содержания кремнезёма – SiO₂ увеличивается пористость, снижается пластичность и прочность обожжённых изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, карбонаты кальция также снижают огнеупорность и придают светлую окраску глине. Оксиды щелочных металлов – Na₂O и K₂O являются плавнями, их добавляют к тугоплавким глинам для снижения температуры спекания. Они способствуют уплотнению черепка и повышению прочности, а также повышению усадки. Наличие в глине растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности кирпичной кладки. Высокодисперсные глины с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. В них содержится до 85-90% частиц размером менее 0,001мм. Бентониты используют как пластифицирующие добавки и эмульгаторы.

Различают традиционную керамику, получаемую из повсеместно доступного сырья и широко применяемую в строительстве, и высокотехнологичную керамику, получаемую из более дорогого сырья, и применяемую в электротехнике, химической технологии и других высокотехнологичных отраслях. В строительном производстве применяют, в основном, грубую керамику. Это керамический кирпич и часть огнеупоров. Грубая керамика характеризуется крупнозернистой, неоднородной в изломе структурой. Тонкая керамика, к которой относится керамическая плитка, керамогранит и другие, характеризуется однородной мелкозернистой структурой. В керамическом сырье есть три основных фракции: глинистая, песчаная и карбонатная. К глинистой относятся основные минералы глин – каолинит, галлуазит и иллит, обеспечивающие, благодаря своим коллоидным размерам, пластичность тесту. Если глинистых фракций содержится более 60%, такую глину называют «жирной». Она характеризуется высокой водоудерживающей способностью и высокой усадкой после высыхания. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10-15% называют «тощими», они при формовке рассыпаются, поэтому в их состав вводят высокопластичную бентонитовую глину. Песчаная фракция состоит главным образом из кварцевого песка с более крупными частичками и потому является непластичным компонентом. Она обеспечивает сохранность формы кирпича в процессе сушки и обжига, когда происходит усадка изделия. Карбонатная фракция (известняк) способствует образованию пористости, так как при высокой температуре выделяющийся СО₂ поризует смесь.

При обжиге по мере повышения температуры происходят последовательно процессы:

а) до 200°С – удаление свободной воды и межслоевой воды из глины;

б) до 350°С – выгорание органических веществ, содержащихся в сырье или введённых в сырьё;

в) 573°С – полиморфное превращение альфа-кварца в бета-кварц (обратимый процесс) с изменением в объёме, а, значит, с деформацией;

г) 600-800°С – окончательное обезвоживание и разрушение кристаллических решёток глинистых минералов с образованием аморфного кремнезёма и гамма-глинозёма:

Al₂O₃ ∙2SiO₂ ∙2H₂O→γ-Al₂O₃ + SiO₂(ам) + 2H₂O;

д) 950-1000°С – реакции между твёрдыми продуктами разложения глины, завершающиеся образованием муллита: 3Al₂O₃ + 2SiO₂→3Al₂O₃ ∙2SiO₂.

Образование муллита – это увеличение глинозёма в составе, это повышение огнеупорности и прочности изделий. Плавленый муллит (температура плавления ~1850°С) используется в качестве высокоэффективного огнеупора. Образующийся вместе с ним при обжиге минерал силлиманит (Al₂O₃∙ SiO₂) также способствует повышению прочности и обогащению глинозёмом керамического черепка.

При температуре обжига кирпича образование муллита происходит не полностью. Аморфный кремнезём при остывании частично кристаллизуется, образуя модификации кварца. Карбонаты разлагаются, образующиеся оксиды кальция и магния вступают во взаимодействие с кремнезёмом и глинозёмом, образуя низкоосновные силикаты и алюминаты. Железо, содержащееся в глинах, при обжиге превращается в гематит Fe₂O₃, от его количества зависит окраска кирпича, чем его больше, тем более окрашен кирпич.

По своим химическим свойствам кирпич является инертным материалом по отношению к воде и кислотам, но менее стоек по отношению к щелочам.

Обожженный при более высокой температуре кирпич называют клинкерным. От обычного он отличается более высокими показателями твёрдости и прочности вследствие пониженной пористости и большего содержания стеклообразной фазы. Но у такого кирпича плохое сцепление с цементным вяжущим, низкая пористость, он используется в дорожном строительстве.

Облицовочную керамическую плитку как и фаянс получают из сырьевой смеси при более высокой температуре – до 1300°С с плавнями (мел, метасиликат кальция или полевой шпат). Изделия из глиняного теста формуют с помощью прессования под давлением ~50 МПа, поэтому структура их более однородна, прочность выше, огнеупорность выше. Пористость их меньше (до 10%) из-за покрытия слоем глазури. Технология получения плитки бывает одинарного обжига (мягкая плитка) и двойного (твёрдая плитка). Первый обжиг создаёт основу материала, второй – закрепление глазури. Глазури – легкоплавкое силикатное стекло, содержащее, как правило, оксиды свинца, бора, алюминия и щелочных металлов. Глазурь стойка к воздействию бытовых моющих средств, используемых для чистки керамики.

Плитка одинарного обжига отличается большей плотностью и прочностью, низким водопоглощением (менее 3%), большей морозостойкостью и химической стойкостью. Глазурный состав наносится сразу после сушки на не обожжённую плитку, в результате основа приобретает большую плотность.

Керамический гранит – это керамическая плитка без глазури одинарного обжига. Сырьевая смесь составлена из глин, богатых иллитом и каолинитом, кварцевого песка, полевого шпата и красящих пигментов. Обжигают её при температуре 1200-1300°С, когда процесс муллитообразования завершается и происходит насыщение расплавленной структуры кремнезёмом и глинозёмом, что обеспечивает керамограниту высокую прочность и плотность. Сырьевая смесь спекается, образуя монолит. Водопоглощение ниже 0,05%. Им облицовывают любые поверхности как внутри помещения, так и снаружи.