3.1 Керамические материалы

Изделия, сделанные из глины, называются керамическими. Глины – это осадочные породы разнообразного состава, основу которого составляют алюмосиликаты с включениями песка, солей кальция, магния, железа и др. По причине разного минерального состава глины отличаются по свойствам и по отношению к температуре и называются легкоплавкими, тугоплавкими, огнеупорными и высшей огнеупорности. Снижают температуру плавления глин плавни – оксиды железа и щелочей, которые при необходимости добавляют в глиняное тесто.

Глину добывают в карьерах, где она должна в раздробленном виде вылёживаться не менее года для более полного разрыхления. За год происходит выветривание, когда на твёрдые куски породы действуют все метеорологические факторы и они рассыпаются, становятся более мягкими, поддаются механической обработке на заводе, превращаясь в пластичную массу. Так как глинистые частички очень малы, менее 0,005 мм, удельная поверхность глин велика, частички могут удерживать большое количество воды, превращаясь в вязкое тесто, которое называют жирным. Тесто легко формуется, принимает любую форму, но после высыхания, когда вода уходит, частички остаются на расстояниях друг от друга, изделие покрывается сеткой трещин и даже деформируется, поэтому жирную глину отощают. В качестве отощителей в глиняное тесто вводят до 50% песка или зол и молотых шлаков. Если надо изготовить кирпич более лёгкий, пористый, то в тесто добавляют выгорающие или порообразующие добавки – опилки, молотый уголь или молотый известняк, выделяющийся при обжиге газ. Есть и другие технологические добавки: пластификаторы, плавни, красители.

Глиняное тесто формуют (делают кирпич) двумя способами: пластическим формованием, когда в тесте содержится до 18-28% воды, и полусухим прессованием с содержанием воды в тесте 7-10%. Такая технология дешевле, так как отформованные изделия не требуется сушить (изделия сразу после формования идут на обжиг), но они имеют менее плотную структуру и меньшую морозостойкость, поэтому их нельзя применять для цоколей зданий, фундаментов и стен влажных помещений.

Отформованные кирпичи пластическим способом необходимо сушить до влажности не более 5%, на что расходуется больше энергии. Только после сушки кирпич можно отправлять в обжигательную печь на обжиг.

При сушке изделий в сушильных камерах происходит воздушная усадка и чем пластичнее было тесто, тем больше усадка (до 10-18%). Высушенные изделия отправляют в обжигательную печь, где температура 1000-1200ºС. В печи при спекании происходит стяжение частиц в результате расплавления легкоплавких компонентов глины с плавнями, сопровождающееся огневой усадкой, составляющей 2-8%. В структуре кирпича образуется матрица из расплава в виде стекловидной фазы, объединяющая более крупные частицы нерасплавленного песка и минералов. Таким образом, керамические материалы – это композиционные материалы, имеющие матрицу и армирующие компоненты.

Главнейшим свойством при изготовлении изделий из глины является спекаемость – способность при обжиге частично расплавляться и, остывая, переходить в камневидное состояние за счёт удаления химически связанной воды с образованием при температуре спекания водостойких и прочных минералов силлиманита (Al₂O₃ SiO₂) и муллита (3Al₂O₃ 2SiO₂).

Прочный черепок образуется за счёт склеивания этих соединений расплавом из легкоплавких глинистых минералов. При более низкой температуре обжига эти минералы не образуются, остаётся глинистый минерал метакаолинит (Al₂O₃ 2SiO₂), такой кирпич называют недожогом. Он отличается более алым цветом, низкой прочностью, низкой водостойкостью. Изделия спецкерамики (огнеупорный кирпич, клинкерный кирпич, а также изделия тонкой керамики – фарфор, фаянс) обжигают при более высокой температуре – от 1300 до 1800ºС.

Изделия, изготавливаемые из глины:

• стеновые (кирпич);

• облицовочные для фасадов (лицевой кирпич, плитка);

• облицовочные для внутренних помещений;

• плитки для пола, клинкерный кирпич для мощения дорог;

• спецкерамика (огнеупорная, кислотоупорная, строительный фаянс);

• заполнители для лёгких бетонов (керамзит), лёгкий кирпич.

Следует знать, что эти изделия делятся на две группы:

1. пористые (водопоглощение более 5% – кирпич, черепица, облицовочные плитки);

2. плотные (водопоглощение менее 5% – плитки для пола).

К группе стеновой керамики относится кирпич обыкновенный, эффективный (пустотелый, пористо-пустотелый, лёгкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки, панели из кирпича и керамических камней.

Кирпич обыкновенный имеет размеры 250×120×65 мм, утолщённый- 250×120×88 мм и модульный – 288×138×65 мм. Масса не должна превышать 4,3 кг, поэтому кирпич делают с пустотами.

По плотности кирпич делят на три категории: обыкновенный – со средней плотностью более 1,6 г/см³; условно-эффективный, плотность которого находится в пределах 1,6-1,45 г/см³; эффективный – с плотностью не более 1,45 г/см³.

Керамические стеновые изделия, изготовленные из глиняной массы, где в качестве отощителей добавлены молотые диатомиты или трепелы имеют среднюю плотность ещё ниже – 1,3-0,7 г/см³. Такой кирпич используют как теплоизоляционный материал.

Прочность кирпича определяют в соответствии со стандартом, испытывая его при изгибе и сжатии. Он относится к хрупким материалам, если прочность при изгибе намного меньше прочности при сжатии, и работает кирпич в стенах зданий также на сжатие. Поэтому марки (М) кирпича определяются по прочности при сжатии в кг/см²: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300.

Морозостойкость кирпича определяется специальными испытаниями в морозильной камере и равна количеству циклов, которые кирпич прошёл без разрушения,- F15, F25, F35, F50.

Водопоглощение кирпича зависит от количества открытых пор и обусловливает как морозостойкость, так и теплопроводность материала. Чем выше марка кирпича, тем выше его плотность, тем ниже водопоглощение. Оно нормируется: для лёгкого кирпича должно быть не менее 8%, для более прочного и плотного – не менее 6%.

Теплопроводность кирпича зависит от его плотности, пористости. У обыкновенного кирпича она составляет λ = 1,16 Вт/(мºС), у пористого кирпича- 0,07-1,0 Вт/(мºС).

С готовой партией кирпича завод оформляет паспорт на продукцию, где указывают название кирпича по плотности, его марку и морозостойкость.

Облицовочные керамические материалы – кирпич и камни лицевые, крупноразмерные плиты, плитки керамические для внешней и внутренней облицовки стен, плитки для пола. Эти материалы отличаются не только размером, толщиной, но и свойствами, пористостью. Критерием качества облицовочных изделий является водопоглощение. Для наружных облицовочных плиток оно может быть от 5 до 7-8%, для плиток, предназначенных для внутренней отделки выше – до 16%.

Плитки для пола должны иметь ещё меньшее водопоглощение (не более 4%) и высокую износостойкость, т. е. более высокую плотность. Клинкерный кирпич, предназначенный для мощения дорог, имеет более высокую прочность (до 400-1000 кг/см²), плотность и водопоглощение его ограничивают 2%.

Кислотоупорный кирпич применяют для защиты аппаратов и конструкций, работающих в условиях кислой среды, агрессивных газов в дымовых трубах. Плитки кислотостойкие должны быть не ниже первого сорта, с водопоглощением от 0,4 до 8%, с кислотостойкостью 97-99%.

Кирпич для дымовых труб изготавливают из огнеупорных глин марок не ниже М125 с водопоглощением не ниже 6%; для внутренних сводов печей и труб изготавливают специальный кирпич – шамотный, огнеупорный с добавкой в качестве отощителя шамота (дегидратированной глины) или хромомагнезитовые добавки, отвальные шлаки и др.

Кроме этого из глин изготавливают дренажные и канализационные трубы. Для канализационных труб водопоглощение должно быть не более 8%, кислотостойкость – до 93%. Дренажные трубы, предназначенные для мелиоративного строительства, по водопоглощению не нормируется, морозостойкость их должна быть не менее F15.

Издревле используют глины для изготовления черепицы – штучный кровельный материал, который применяется и в наше время.