121. Термические (обжиговые) свойства глин проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.

Огнеупорность – это свойство керамики материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Показателем огнеупорности является температура, при которой образец из материала, имеющий форму трехгранной усеченной пирамиды (условно именуемый «конусом»), деформируется от собственной тяжести и касается вершиной керамической подставки. Под огнеупорностью глины понимают условную температуру ее плавления. Условной эта температура является потому, что глинистая порода полидисперсна и не имеет строго определенной температуры плавления, а плавится в некотором интервале температур. Поэтому за температуру плавления глины принимают ее огнеупорность. По ГОСТ 9169 глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные – огнеупорность выше 1580°С, тугоплавкие 1350…1580°С и легкоплавкие – ниже 1350°С. Огнеупорность глины зависит от ее химического состава: глинозем (Al₂O₃) повышает огнеупорность глины, кремнезем (SiO₂) тонкодисперсный понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность. Примеси щелочных металлов (R₂O) являются наиболее сильными плавнями (флюсами) — веществами, понижающими температуру плавления глины. Оксиды щелочноземельных металлов (RO) также являются плавнями, но при более высокой температуре, чем щелочные. Огнеупорность керамики, содержащей оксиды железа, зависит от вида газовой среды в обжиге: восстановительная среда понижает огнеупорность, так как Fe₂O₃ восстанавливается в FeO, с большой реакционной способностью. Он образует с SiO₂ фаялит (2FеО SiО₂), имеющий температуру плавления 1205°С и играющий роль плавня.

Спекаемость является вторым важным термическим свойством глин. Под спекаемостью понимают способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камневидного тела. Спекание глин происходит за счет стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой – силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины (жидкостное спекание) вследствие рекристаллизации минералов, входящих в состав керамики, и за счет реакций в твердой фазе между компонентами глины и продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом спекания является уплотнение обжигаемого материала и уменьшение открытой пористости. Поэтому степень спекания контролируется по водопоглощению керамики. Спекшейся считается керамика, имеющая водопоглощение не более 5%. Поэтому спекаемость глин определяют как способность давать камень без признаков пережога с водопоглощением менее 5%. Признаки пережога: деформации и вспучивание с повышением пористости. По ГОСТ 9169 глины по степени спекания классифицируются на три группы:

Группа глинистого сырья Водопоглощение керамики в %

Сильноспекающиеся Не более 2

Среднеспекающиеся Не более 5

Неспекающиеся Более 5

Указанные значения водопоглощения должны быть не менее чем в двух температурных точках с интервалом 50°С. Смысл этого условия иллюстрируется рис. 7, где представлены зависимости водопоглощения керамики от температуры обжига для трех видов глин. Эти глины имеют одинаковую предельную температуру обжига t^об_пр , превышение которой дает признаки пережога. При температуре t₁, которая на 50° ниже t^об_пр, глина 1 дает керамику с водопоглощением 2%. В интервале t^об_пр – t₁ = 50°С керамика из нее имеет водопоглощение ниже 2% и не обнаруживает признаков пережога. Она является сильноспекающейся. Глина 2 в этом же интервале температур имеет водопоглощение более 2%, но меньше 5%, что определяет ее как среднеспекающуюся. А глина 3 в том же интервале имеет водопоглощение более 5% и является неспекающейся.

 

Спекаемость является важнейшим признаком, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий: канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий. Она характеризуется температурным интервалом, под которым понимают для легкоплавких глин:

Δt_сп = t_w=1% - t_w=5%

а для огнеупорных глин:

Δt_сп = t_or - t_w=2%

где t_w=1% t_w=5% t_w=2% – температуры, при которых керамика приобретает водопоглощение соответственно 5, 2 и 1%.

Al₂O₃ увеличивает интервал спекания глин, СаО резко понижает, а щелочные К₂О и Na₂O расширяют его. У каолинитовых глин интервал спекания обычно больше, чем у монтмориллонитовых. Запесоченность глин резко снижает интервал спекания. Наименьший интервал спекания (50…100°С) у легкоплавких глин, лёссовые глины почти его не имеют, наибольшее его значение (до 400°С) у огнеупорных глин. Интервал спекания определяет возможность обжига изделий в печах c перепадом температур между верхом и низом печи.

Если печь имеет температурный перепад между верхом и низом 80°С, а интервал спекания глины 30°С, то нижние ряды садки будут иметь недожог, а верхние ряды – пережог, качество обжига будет низким. Поэтому надо либо увеличить интервал спекания керамической массы введением плавней, расширяющих интервал, либо повысить равномерность обжига конструктивными приемами, в крайнем случае, снижением высоты печи. Для некоторых видов керамики низкое водопоглощение не обязательно или даже недопустимо. В этих случаях температурные границы, в пределах которых можно вести обжиг, определяет не интервал спекания, а интервал обжига. Под интервалом обжига понимают температурные границы, в которых изделие при обжиге приобретает свойства, регламентированные действующими ГОСТами и ТУ. Например, для строительного кирпича минимальная температура обжига будет ограничена достижением прочности, соответствующей марке 75 (минимальная по ГОСТ 530-95), а максимальная – водопоглощением керамики, равным 8%. Интервал температур, в пределах которого соблюдаются эти величины, и будет интервалом обжига. По величине он намного больше интервала спекания. Этим объясняется то, что глины с малым интервалом спекания оказываются пригодными для обжига кирпича в печах со значительными перепадами температур.

Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под действием сил поверхностного натяжения силикатного расплава. Механизм стягивающего действия этих сил схематически изображен на рис. 8. Как только между двумя твердыми частицами 1 окажется капля жидкого расплава 2 с вогнутыми менисками, она под влиянием сил поверхностного натяжения будет растекаться по поверхности твердых частиц. Равнодействующая этих сил образует силу капиллярного давления Р_к, которая будет растягивать каплю жидкости, сближая твердые частицы.

Усадку при обжиге характеризуют величиной огневой усадки У%:

 

где l₁ и l₂ – линейные размеры, см сухого и обожженного образцов.

Огневая усадка глин колеблется в пределах от 2 до 8% и достигает в отдельных случаях 14%. С увеличением содержания глинистой фракции усадка возрастает. Сильно запесоченные глины могут совсем не давать усадки и даже обнаруживать в обжиге «рост» за счет вспучивания (усадка в этом случае получает отрицательный знак). Монтмориллонитовые глины имеют большую огневую усадку, чем каолинитовые. Щелочные оксиды всегда повышают огневую усадку, а железистые – лишь при обжиге в восстановительной среде. С повышением температуры обжига усадка обычно возрастает. Поэтому неравномерно обожженные изделия могут иметь заметный разброс в размерах.

Каолины

Каолинами называют мономинеральные горные породы, глинистая фракция которых представлена только каолинитом. Каолины менее пластичны, чем глины, и дают повышенную белизну обожженной керамики. Каолин содержит примеси не выветрившихся обломков горной породы, из которой он образовался. Значительную часть этих примесей можно удалить отмучиванием. По характеру примесей имеются следующие виды каолинов:

- чистый, содержащий не более 6% кварца и не более 2% щелочей;

- щелочной, содержащий до 5…7% примесей К₂О и Na₂O;

- кремнеземистый, включающий до 2% тонкого кварцевого песка;

- щелочно-кремнеземистый, со значительным количеством SiO₂, RO₂+RO;

- железистый, включающий более 2% Fe₂O₃, окрашивающего каолин в желтый цвет, что недопустимо в производстве фарфора и фаянса. Поэтому такой каолин, как правило, обогащают на месте добычи мокрым способом.

Действующими ГОСТами на каолины для производства тонкой керамики нормируется предельное содержание химических и механических примесей и влажность. Кроме того, для каолинов определяют еще два показателя, характеризующие их рабочие свойства, – «упругость» и «порог коагуляции». Под упругостью каолиновой суспензии понимают разницу между ее плотностью по ареометру и плотностью той же суспензии в пределах 1,35…1,37 г/см³, определяемой пикнометром (взвешиванием).

По показателю упругости различают три группы каолинов:

Группа каолина	Показатель упругости
I II III	0,1…0,05 0,05…0,4 0,4 и более

Порогом коагуляции считают такое состояние суспензии каолина, при котором исчезают структурообразования, препятствующие погружению ареометра до метки, отвечающей пикнометрической плотности, из-за чего показатель упругости падает до нуля. Каолин из-за дороговизны, меньшей пластичности и дефицитности в производстве строительной керамики применяется в меньших объемах, чем глины.

122. Клинкерный кирпич или просто клинкер отличается высокой износостойкостью, поэтому используется при строительстве площадок, ступеней, пандусов и т.п. Он производится путём прессования сухой красной глины с последующим обжигом при температуре 1100ОС. Следует отметить, что все виды кирпича обладает удобным размером. Его удобно брать одной рукой. По длине кирпича укладываются два кирпича по ширине, с учётом 1 см на шов. А вот в зависимости от толщины кирпичи обладают более широкой номенклатурой и бывают: 1. Одинарные, размер 250 х 120 х 65 мм. 2. Полуторные, или утолщённые, размер 250 х 120 х 88 мм. Экономят расход раствора и время строительства. 3. Двойные, (или камень керамический по ГОСТу), размер 250 х 120 х 140 мм. Также экономят расход раствора и время строительства, а также деньги, так как стоят дороже одинарных на половину, а размер их в два раза больше. Но такие кирпичи выпускают только пустотелые. 4. Модульные, размер 288 х 138 х 63 мм. В зависимости от наличия пустот кирпичи делят на: 1. Полнотелые, с малым объёмом пустот, менее 13%. Такой кирпич применяется для постройки несущих элементов и массивных конструкций, которые должны выдерживать большую нагрузку. Полнотелым может быть рядовой, лицевой кирпичи. 2. Пустотелые, с большим объёмом пустот, иногда более 50%. Этот вид кирпича обладает более высокой теплоизоляций в сравнении с полнотелым, а ещё он значительно легче, поэтому стены из такого кирпича могут быть тоньше, чем из полнотелого, да к тому же ещё и более лёгкими. Но при его использовании могут возникнуть трудности: пустоты могут забиться раствором, и тогда его преимущество – теплоизоляция - теряется. Не допустить это можно, используя более густой раствор и кирпич с более мелкими пустотами. Пустотелый кирпич дешевле полнотелого, так как на его производство идёт меньше сырья. Пустотелым также может быть рядовой, лицевой кирпичи. 

123. Эффективные стеновые керамические изделия

 

Пустотелый кирпич пластического формования имеет сквозные щелевидные или круглые отверстия, а полусухого прессования — сквозные или несквозные пустоты различной формы (3.5). Пористо-пустотелый кирпич получают аналогично пустотелому, но в состав керамической массы вводят выгорающие добавки.  Керамические стеновые камни выпускают больших размеров и объемов, чем кирпич. Технология производства их незначительно отличается от технологии пустотелого кирпича пластического формования (3.5). По плотности эти виды кирпича и камней подразделяют на условно-эффективные, улучшающие теплотехнические свойства стен, и эффективные, позволяющие уменьшить толщину стен по сравнению с толщиной стен из обыкновенного кирпича Наличие пустот не только снижает плотность и массу таких изделий, но и ускоряет процессы их сушки и обжига, так как изделие прогревается быстрее и равномернее через наружные и внутренние поверхности. Поэтому пустотелые кирпич и камни имеют меньше дефектов, а прочность (марка) их, несмотря на большой процент пустот (до 37 %), такая же, как у обыкновенного кирпича (табл. 3.2), кроме камней с горизонтальными пустотами, у которых марка значительно ниже (25...50). Пустотелые кирпич и камни применяют наравне со сплошным, за исключением кладки фундаментов, подземных частей стен, печей, дымовых каналов и стен помещений с влажным режимом эксплуатации.  Кирпич строительный легкий изготовляют из сырьевой массы, основу которой составляют легкие пористые кремнеземистые породы (диатомит, трепел) с выгорающими добавками. По плотности легкий кирпич разделяют на три класса: класс А — 700...1000кг/м3; класс Б — 1001...1300 кг/м3; класс В — свыше 1300 кг/м3, каждому из которых соответствуют определенные марки по прочности — от 50 до 100. Применяют легкий кирпич для стел зданий с нормальной влажностью.

124. Керамика в роли отделочного материала применяется издавна и широко. Это объясняется как декоративностью керамики, так и ее стойкостью и долговечностью. Облицовка керамикой не только придает декоративность, но и защищает конструкцию от внешних воздействий. Различают отделочную керамику для наружной и внутренней облицовки, а также для покрытия полов. Для каждой области применения используют керамику с различным строением черепка (плотным или пористым) и соответственно с разными свойствами. Материалы для наружной облицовки зданий и сооружений включают в себя лицевой кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты и архитектурные детали (терракоту) и плитки различных размеров. ‑­ Лицевой кирпич имеет повышенное качество поверхности: гладкая без дефектов поверхность, ровная окраска, возможна рельефная обработка поверхности или ее офактуривание (глазурование). Лицевой кирпич изготовляют как из беложгущихся, так и из красножгущихся глин. Придание требуемого цвета возможно окрашивающими добавками (оксиды железа, марганца и т.п.). Марки лицевого кирпича такие же, как и у обычного; морозостойкость несколько выше: не ниже F25. Как правило, лицевой кирпич – пустотелый. Декорируют лицевой кирпич ангобированием и двухслойным формованием. Эти методы позволяют экономить дефицитные беложгущиеся глины. Особенно декоративен глазурованный кирпич. Глазурь позволяет получать любые цветовые оттенки и сохранять их яркость в течение длительного времени; она почти не загрязняется и легко моется. Долговечность такой отделки – десятки и даже сотни лет. Для зданий с кирпичными стенами отделка лицевым кирпичом – самый эффективный вид отделки, так как она одновременно является частью стены и выполняет все ее функции. Керамические плиты для фасадной отделки выпускают в широком ассортименте размеров, цветов и фактуры поверхности. Коврово-мозаичная плитка очень облегчает отделку стен путем простого втапливания ковра в раствор (или бетон) и последующего смывания бумаги после затвердевания раствора. Такая отделка может производиться как на заводе одновременно с формованием стеновых панелей, так и в построечных условиях по свежеуложенной штукатурке. Плитки керамические фасадные применяют для облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, подземных переходов и других элементов зданий и сооружений. Плитки выпускают различных размеров, цветов и фактуры поверхности. Плитки изготовляют методом полусухого и пластического прессования. Морозостойкость плиток F35 и F50. Тыльная сторона плиток имеет рифление для обеспечения сцепления с раствором (бетоном). Крупноразмерные керамические плиты выпускают с плотным черепком (водопоглощение менее 1 %) размером от 500*500 до 1000*1000 мм и толщиной 6...10 мм. Эти плиты крепят на фасаде с помощью металлических раскладок. Один из вариантов таких плит называют керамическим гранитом. Терракота (от лат. terra cotta – жженая земля) – крупноразмерные облицовочные изделия в виде плит, частей колонн, наличников и других архитектурных деталей. Терракота – долговечный и декоративный облицовочный материал, незначительно уступающий природному камню по свойствам, но значительно менее трудоемкий в производстве. Терракотовые изделия формуются из пластичных глиняных масс: плиты на ‑­ ленточных прессах, а архитектурные детали с помощью форм (гипсовых, деревянных и металлических). Физико-механические показатели терракотовых изделий: марка по прочности – не ниже 100 кгс/см², морозостойкость не менее F50. Плитку для внутренней облицовки выпускают разнообразных типоразмеров. Чаще других используют плитку размером 150*150 мм и разнообразные элементы к ней – уголки, фризы и т. п. Такую плитку часто называют «кафельной». Это название пошло от фаянсовых изделий коробчатой формы с глазурованной поверхностью (от нем. Kachel – глиняная плошка), использовавшихся в XVII–XIX вв. для облицовки печей в жилых и общественных зданиях; по-русски их называли «изразцы». Плитки для внутренней облицовки имеют пористый черепок и с лицевой стороны покрыты глазурью. Глазурь не только придает декоративный вид, но и делает плитки водостойкими и химически стойкими и гигиеничными. Такие плитки широко применяются для облицовки стен санитарно-технических узлов и кухонь в жилых и общественных зданиях, в больницах, на предприятиях пищевой и химической промышленности, вестибюлей и лестничных клеток. Нельзя использовать такие плитки для настилки полов (глазурь легко царапается) и для наружной облицовки (пористый черепок зимой быстро разрушится). Плитку для полов изготовляют из тугоплавких глин методом сухого или полусухого прессования, обжигая их до полного спекания. Такие плитки почти не имеют пор и практически водонепроницаемы. В соответствии со стандартом их водопоглощение не должно быть выше 4 % (как правило, оно не более 1...2 %). Такие плитки часто называют «метлахские» (от названия немецкого города Meftlach, где было одно из первых производств подобных плиток). Плитки могут быть окрашены в массе или иметь окрашенным только верхний слой. Поверхность плиток большей частью гладкая, но производят плитки и с фактурной поверхностью (например, имитирующие грубообработанный камень или древесину). Плитки отличаются высокой износостойкостью и прочностью, стойки к действию воды и химических реагентов, декоративны и легко моются. Размеры плиток от самых мелких (23*23 мм) мозаичных до плиток среднего размера (300*300 мм). Среди материалов для полов керамическая плитка отличается высоким теплоусвоением: такое покрытие пола называют «холодным». В странах с теплым климатом (Южная Европа, Египет, Сирия и т. п.) полы из керамической плитки применяют во всех помещениях, включая гостиные и спальные комнаты. В России полы из плиток принято устраивать в помещениях с сырым режимом эксплуатации к повышенными гигиеническими требованиями (санитарно-технические узлы, ‑­ лаборатории, больницы, пищеблоки и т. п.). В настоящее время в связи с появлением подогреваемых полов круг помещений, где целесообразно применять керамические плитки для полов, будет расширяться. Облицовка керамикой – один из самых экономически эффективных видов отделки фасадов и интерьеров зданий. Хотя первоначальная стоимость такой облицовки выше многих других видов отделки, но с учетом очень высокой долговечности керамики, в конечном счете, керамическая облицовка оказывается выгоднее. К несомненным достоинствам такой облицовки необходимо отнести архитектурную выразительность и экологичность.

125. Керамические изделия специального назначения

 

Глиняная черепица - кровельный материал, получаемый из легкоплавких глин путем пластического формования (ленточная) или прессования (штампованная) с последующей сушкой и обжигом. В настоящее время керамические заводы выпускают черепицу нескольких видов: пазовую штампованную (не нормируется); прессованную плоскую (365x155 мм) и коньковую (365x200 мм) ( 33). Черепица характеризуется высокой прочностью и огнестойкостью. Она должна выдерживать нагрузку на изгиб не менее 0,7 кН, морозостойкость - не менее 50 циклов. Кровля из нее не требует частых ремонтов. Недостатком черепичной кровли является ее большая масса, необходимость устройства значительных уклонов для стока воды, а также трудоемкость возведения. Черепицу применяют в малоэтажном строительстве. Огнеупорными называют керамические материалы с огнеупорностью не менее 1580 °С. В виде кирпича и фасонных изделий их применяют для строительства промышленныхпечей, дымоходов и топок. Материалы, получаемые из огнеупорных глин, отощенные той же глиной, но предварительно обожженной до спекания и измельченной (шамот), называют шамотными изделиями. Шамотные огнеупоры характеризуются относительно невысокой термической стойкостью и огнеупорностью, но достаточно хорошей способностью противостоять действию кислых топливных шлаков и расплавленного стекла при температурах до 1350... 1500 °С. Кислотоупорные керамические материалы могут длительное время противостоять действию жидких коррозионных сред. Их используют для устройства полов, трубопроводов, газоходов, футеровки аппаратов на химических предприятиях. Изделия производят из кислых и полукислых глин методом пластического формования (простой формы) с последующей до-прессовкой на гидравлических прессах (сложной формы фасонные изделия). Выпускаются кислотоупорные кирпичи, плитки, трубы и фасонные изделия. Характерная особенность таких материалов - небольшая пористость и соответственно низкое водопоглощение.

Санитарно-технические изделия - раковины, умывальники, унитазы, смывные бачки и другие - изготовляют в основном из беложгущихся фарфоровых, фаянсовых и полуфаянсовых масс.

Фарфором называют плотный керамический материал с черепком белого цвета,, получаемый обжигом сырьевой смеси, в состав которой входят огнеупорная глина, каолин, полевой шпат, кварц и фарфоровый бой. Фарфор имеет водопоглощение 0,2...0,5 %, прочность на сжатие - до 500 МПа. Из него можно изготавливать тонкостенные изделия. Особенностью фарфора является просвечиваемость в тонком слое.

Фаянсом называют керамические материалы с мелкопористым черепком обычно белого цвета, для получения которых применяют те же сырьевые материалы, что и для фарфора, но другой рецептуры. Фаянс имеет пористый черепок с водопо-глощением 19...22 %. Предел прочности при сжатии составляет 60. ^. 110 МПа. Поверхность изделий покрывают глазурью.

Фарфор отличается от фаянса большей плотностью и прочностью.

Полуфарфор по своим свойствам занимает промежуточное положение между фаянсом и фарфором.

Санитарно-технические керамические изделия обычно получают методом литья жидкой массы (шликера) в гипсовые формы под "атмосферным давлением и в пористые полиме^Ше - под повышенным давлением с последующим высушиванием и обжигов изделий. Обжиг может быть одно- или двухразовый. Для придания санитарно-техническим изделиям водонепроницаемости и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный состав наносят на отформованные изделия после сушки или первого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает изделие тонкой блестящей пленкой.

Керамические трубы подразделяют на канализационные и дренажные.

Производят канализационные трубы цилиндрической формы длиной 800... 1200 мм с внутренним диаметром десяти размеров от 100 до 600 мм с шагом 50 мм. На одном конце имеется раструб для соединения отдельных звеньев трубопровода. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 0,2 МПа и внешнюю нагрузку 0,2.. .0,3 кН на 1 м длины.

Основным сырьем для производства канализационных труб служат пластичные тугоплавкие глины, которые дают общую усадку изделий не более 8 %.

Керамические дренажные трубы выпускаются с внутренним диаметром 50...250 мм и длиной 333 мм. Наружная поверхность может быть цилиндрической, шести- или восьмигранной. Марка по морозостойкости - не менее F15.

Сырьем служат малопластичные и пластичные глины. Для повышения пористости черепка вводят выгорающую добавку -тонкомолотый уголь. Формуют трубы методом пластического прессования.

Дренажные трубы применяют для понижения уровня, сбора и отвода грунтовых вод.

Клинкерный (дорожный кирпич) изготовляют из тугоплавких глин, обжигая до полного спекания. Он имеет меньшие размеры (220x110x65 мм), чем обыкновенный стеновой кирпич, низкое водопоглощение (2...6 %), высокую прочность при сжатии (40... 100 МПа) и морозостойкость - не менее F100. Такой кирпич используют для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных предприятий, кладки канализационных коллекторов.