17.2. Глина — основное сырье для строительной керамики

Для производства строительной керамики применяют глины как относительно пластичный компонент и добавочные вещества — не­пластичные компоненты сырьевой смеси. Глина является главным структурообразующим веществом, создающим при обжиге изделий микро- и макроструктуру керамического конгломерата в виде раз­личных изделий. Добавочные вещества вводят в глину (смеси) с це­лью повышения или снижения ее пластичности, что важно при фор­мовании изделий; для увеличения пористости легких керамических изделий (порообразующие добавки); для снижения температуры об­жига изделий (легкоплавкие добавки, или плавни).

Глины (см. гл. 8) состоят из мельчайших (менее 0,01—0,001 мм) частиц глинистых минералов, образовавшихся главным образом в процессах химического выветривания магматических и некоторых других пород. Пригодность глин для производства керамических изделий оценивается их химическим и минеральным составами и свойствами.

Химический состав глин характеризуют обычно содержанием оксидов (в процентах по массе). Главными и обязательными оксида­ми, составляющими различные глины, являются кремнезем SiO₂ (от 40 до 70%) и глинозем Al₂O₃ (от 15 до 35%). Постоянными ком­понентами глин являются также K₂О и Na₂O (вместе 1—15%), хими­чески связанная H₂О (около 5—15%).

Часто присутствует Fe₂О₃ (0—7%). Встречаются в глинах и дру­гие соединения, например TiO₂, MgO, карбонаты Са и Mg, органи­ческие примеси. В каолинитовых глинах содержание глинозема и кремнезема почти одинаково, тогда как в монтмориллонитовых и магнезиальных возрастает количество кремнезема за счет снижения содержания глинозема. Резкое возрастание кремнезема обычно обу­словливается присутствием песчаной примеси в глинах. С увеличе­нием содержания Al₂O₃ повышаются пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обо­жженных изделий. Присутствие оксидов железа (и закиси) тонкодис­персных карбонатов CaСО₃ и MgСО₃ снижает огнеупорность глин, увеличивая усадку изделий. Наличие в глине щелочей ухудшает формуемость изделий, понижает огнеупорность и вызывает появле­ние белых выцветов на изделиях.

Свойства глин имеют в керамическом производстве важное зна­чение. Из физических свойств следует учитывать их пластичность, связующую способность, водопоглощаемость, воздушную и огне­вую усадки, огнеупорность, способность ионного обмена с окружа­ющей средой и др.

Пластичность — способность влажной глины под действием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после устранения давления. Ее можно увеличить вылеживанием глин на воздухе и снизить нагреванием (агрегированием тончайших частиц) или введением добавок, например кремнезема. К наиболее пластич­ным относятся монтмориллонитовые, а к наименее пластичным — каолинитовые глины. С увеличением частиц размером меньше 0,001 мм пластичность глин возрастает.

Связующая способность глин выражается в том, что уплотнен­ная влажная глина после высыхания не рассыпается, а сохраняет по­лученную форму, например изделия-сырца, для последующего обжига. Эта способность выражается также в том, что глина связывает зерна непластичных материалов, например песка или других мине­ральных крупных включений.

Водопоглощаемость некоторых глин достигает больших коли­честв, причем вода проникает не только по трещинам и капиллярам, но и между слоями в кристаллической решетке некоторых минера­лов, раздвигая их с эффектом набухания глины до 40% и более.

Воздушная и огневая усадки отражают способность глин умень­шать объем при высыхании на воздухе или при обжиге. Большая усадка может нередко сопровождаться образованием трещин, если глину не «отощить», т. е. не добавить в нее кремнезем. Высокоплас­тичные глины при высыхании дают до 10—15% воздушной усадки. При обжиге часть наиболее легкоплавких компонентов глины рас­плавляется, заполняя поры расплавом. Это приводит к сближению частиц и эффекту огневой усадки. Сумма воздушной и огневой уса­док (полная усадка) колеблется до 18%.

Огнеупорность — важнейшее свойство глин выдерживать высо­кую температуру, не расплавляясь и не деформируясь.

Другой, более низкой является температура спекания глины, когда возникает заполнение пор расплавом, но без деформации из­делия, а только с его уплотнением. Полностью спекшийся глиняный черепок имеет водопоглощаемость 2—5%. При нагревании выше температуры спекания количество расплава возрастает сверх объема пор и тогда наступает деформирование изделий с постепенным расплавлением всей массы. Интервал между температурами спека­ния и началом деформирования (оплавления) глины называется ин­тервалом спекания (иногда — густоплавкостью). Чем больше этот интервал, тем спокойнее протекает обжиг и меньше опасность де­формирования изделий при обжиге. Для получения плотного череп­ка необходимо, чтобы интервал спекания был не менее 100°С, для пористого — не менее 40—50°С. Огнеупорность зависит от химиче­ского и минерального составов глин. Присутствие каолинита всегда повышает степень огнеупорности, а даже небольшое количество в глине минералов — плавней — понижает температуру плавления.

Химический состав оказывает влияние на температуру плавле­ния глин. Температура плавления оксидов сравнительно высока: SiO₂ — 1710°С, Al₂O₃ — 2050°С, MgO — 2800°С, Fe₂O₃ — 1548°С, FeO — 1380°С, TiO₃ — 1700°С и т. д. В глинах, однако, практически мало имеется химически чистых оксидов. Они находятся в химиче­ских соединениях в виде минералов, а при повышенных температу­рах создают, кроме того, эвтектические смеси, которые значительно снижают температуру плавления глинистых масс.

Способность ионного обмена с окружающей средой относится к важному свойству глин. Особенно легко замещаются катионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, и анионы SO₄^2-, Cl^-, РО₄^3-, NO₃^1-. Следует от­метить, что тенденцией к ионному обмену обладают практически все минералы, если они переведены в тонкодисперсное состояние, так как на обломанных краях кристалликов заряды некоторых эле­ментов становятся незамещенными. Возникают и неуравновешен­ные свободные заряды, например при замене А1³⁺ на Si⁴⁺ или Mg²⁺ на А1³⁺, что также способствует ионному обмену. Замена катиона на другой приводит к изменению свойств глин — пластичности, водо­проницаемости, густоплавкости и др.

Характерным свойством глин является их способность при об­жиге превращаться в каменный материал.

Среди непластичных материалов, используемых в керамическом производстве в качестве добавок, — отощающие, выгорающие и плавни. К отощающим добавкам относятся кварцевые пески, пыле­видный кварц (маршаллит), кремень, шамот (обожженная глина и затем измельченная в порошок), золы ТЭС и др. К выгорающим до­бавкам относятся древесные опилки, торф, антрацит, каменный и бурый уголь, топливные шлаки и др., которые создают пористость после их выгорания при обжиге изделий и могут выполнять функ­ции отощающей добавки (снижать пластичность). К плавням (флю­сам) относят материалы, которые в процессе обжига взаимодейству­ют с глинистым веществом с образованием более легкоплавких соединений, чем чистое глинистое вещество. Среди них — полевые шпаты, пегматит, мел, доломит, руды с содержанием оксидов железа и др. Иногда в глину вводят специальные добавки, например с целью повышения кислотостойкости — песчаные смеси, затворен­ные жидким стеклом, для окрашивания изделий — оксиды метал­лов, для улучшения качества кирпича — пирофосфаты и полифосфаты натрия, для вспучивания — кокс и др.