Керамические  материалы

1. Общие сведения о керамических материалах и их классификация.

Керамика – материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений.

Керамические  строительные материалы – это искусственные каменные изделия, получаемые из глиняных масс с добавками или без добавок других материалов путем формования и последующего обжига. Керамические материалы – самые древние из искусственных каменных материалов.

Они характеризуются  достаточно высокими показателями физико-технических  свойств, водо-, термо- и кислотостойкостью, выдерживают 15 – 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых изменений структуры. Эти свойства обусловливают высокую долговечность керамических изделий и сравнительно низкий уровень затрат при эксплуатации зданий и сооружений.

Вместе с  тем керамические материалы имеют  и определенные недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, длительный технологический цикл изготовления (3 – 4 суток) и др. Однако большие  запасы повсеместно растраченного  сырья, сравнительная простота технологии, высокая прочность и долговечность  керамических материалов, многовековой опыт производства ставят их на одно из первых мест среди других строительных материалов.

Материал (т.е. тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики именуют  керамическим черепком.

Строительные  керамические изделия классифицируют по структуре керамического черепка и по их конструктивному назначению в отдельных элементах зданий и сооружений.

По структуре  черепка различают изделия с  пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тонкой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5%, обычно такой черепок пропускает воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5%; как правило, он водонепроницаем.

У изделий  грубой керамики черепок имеет в  изломе зернистое строение (макронеоднородный). Большинство строительных керамических изделий — строительный кирпич, черепица, канализационные трубы и др. — являются изделиями грубой керамики.

У изделий  тонкой керамики излом черепка имеет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором.

По конструктивному  назначению различают следующие  группы керамических строительных материалов и изделий:

стеновые изделия—кирпич, керамические камни и панели из них;

фасадные изделия—лицевой кирпич, различного рода плитки; архитектура-художественные детали, наборные панно;

изделия для  внутренней облицовки стен—глазурованные плитки и фасонные детали к ним (карнизы, уголки, пояски);

плитки для  облицовки пола;

изделия для  перекрытий (балки, панели, специальные  камни);

кровельные  изделия—черепица;

санитарно-строительные изделия—умывальные столы, унитазы, ванны;

дорожные изделия—клинкерный кирпич;

изделия для  подземных коммуникаций — канализационные  и дренажные трубы;

теплоизоляционные изделия (керамзитокерамические панели, ячеистая керамика, диатомитовые и шамотные легковесные изделия);

заполнители бетонов (керамзит, аглопорит).

2. Производство керамических материалов и изделий.

Несмотря на то, что керамические материалы и  изделия отличаются большим разнообразием  по назначению, форме и физико-механическим свойствам, производство их примерно одинаково  и состоит из следующих основных процессов: добычи глины в карьерах; подготовки массы; формования изделий  из приготовленной массы; сушки сформованных изделий; обжига предварительно высушенных изделий.

Подготовка  массы. Заключается в обогащении, дроблении, тонком помоле материалов, увлажнении и перемешивании массы. Подготовленные материалы керамической массы тщательно смешивают. Различают три способа приготовления керамической массы: пластический, полусухой и шликерный.

Пластический  способ формования керамической массы более приемлем при использовании глин с повышенной влажностью (18-23%), хорошо размокаемых в воде. Таким способом получают обыкновенный кирпич, пустотелые изделия, трубы и т. д. Пластическое формование при производстве черепицы, электроизоляторов, капселей осуществляют способом штамповки в гипсовых и металлических формах.

Полусухой способ прессования применяется при плотной структуре глиняного сырья и низкой исходной влажности (8-12%). Из полусухих порошкообразных масс изделия формуют на прессах высокого давления (10-30 МПа и более). Изделия, спрессованные из порошков, обладают в сырце большой прочностью и точностью размеров, а также характеризуются низкой усадкой при обжиге. Из порошкообразных масс изготовляют обыкновенный пустотелый кирпич, керамические камни и плитки.

Шликерный способ применяется в тех случаях, когда необходимо достигнуть особо тщательного смешивания исходных компонентов (фарфоро-фаянсовое производство, облицовочные плитки) при их влажности 30-35%. Шликеры применяют для облицовки сложных по конфигурации и тонкостенных изделий (санитарно-техническая, декоративная, химически стойкая керамика и др.). Этот метод формования основан на свойстве гипсовых форм впитывать в себя часть воды из залитого в них шликера. Отдавая влагу, изделия дают усадку и легко отделяются от форм.

Изделия, отформованные  пластическим и шликерным способами, необходимо сушить. При полусухом способе формования изделия имеют незначительную влажность, которая при обжиге не вызывает растрескивания, поэтому необходимость в сушке отпадает.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанный с испарением влаги с поверхности изделия, перемещением влаги из его внутренней части к поверхности и теплообменом между материалом и окружающей средой. Длительность сушки во многом зависит от скорости перемещения влаги в изделиях от внутренних к наружным слоям, а последнее определяется размерами капилляров и вязкостью воды. 

Существуют  два способа сушки: естественная и искусственная. 

Для естественной сушки изделий используют сушильные  сараи (навесы), в которых на ровном, хорошо уплотненном поле или на стеллажах  устанавливают сырые изделия. Длительность сушки зависит от температуры, влажности  и подвижности наружного воздуха  и климатических условий района и составляет 6-15 сут.

Поскольку естественная сушка характеризуется сезонным циклом производства, в настоящее  время даже на небольших предприятиях применяют искусственную сушку  в сушилках периодического или непрерывного действия. В качестве источника тепла используют газы обжиговых печей или горячий воздух. 

Дополнительные  расходы на искусственную сушку  изделий полностью окупаются  резким сокращением цикла производства, когда срок сушки изделий в  искусственных сушилках не превышает 70 часов (а в большинстве случаев он значительно меньше).

Обжиг изделий — важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырых изделий, собственно обжиг и регулируемое охлаждение изделий. В первом периоде из обжигаемых изделий удаляется гигроскопическая и гидратная вода, частично разлагаются карбонаты, сгорают органические примеси и равномерно прогревается вся масса изделия. В начале нагревания при 100-120°С удаляется физически связанная вода, в температурном интервале 450-650°С — химически связанная вода, причем глинистые минералы разрушаются, и глина переходит в аморфное состояние. Дальнейшее повышение температуры обжига приводит к расплавлению части материала, в результате чего происходит спекание массы и образование керамического черепка. Этому процессу соответствует температура 800-1000°С для легкоплавких глин и 1150-1200°С для тугоплавких. Температурный режим и длительность обжига зависят от состава шихты. При повышении температуры обжига получают изделия с большей механической прочностью, однако чрезмерное повышение температуры может вызвать деформацию изделий.

После обжига изделия охлаждают. Процесс охлаждения весьма ответственный, при этом недопустим резкий перепад температур и доступ холодного воздуха, так как это  влечет за собой образование трещин. В начальной стадии температуру  снижают медленно, и лишь после  достижения 650°С процесс охлаждения можно ускорить.

Сортировка  и хранение керамических изделий. При выгрузке из печи керамические изделия сортируют. Качество изделий устанавливают по степени обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в них различных дефектов. По степени обжига они могут быть разделены на изделия нормального обжига, недожог и пережог. Сортность изделий устанавливают по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в соответствии с требованиями ГОСТ. После сортировки изделия направляют на склад, где хранят до отправки на строительство. Кирпич и керамические камни укладывают в елочные пакеты или на поддоны и хранят на открытых площадках. Облицовочные плитки рассортировывают по цветам и размерам, упаковывают в ящики и хранят в закрытых складах. Санитарно-технические изделия, прошедшие сортировку и комплектование арматурой, упаковывают в специальные ящики и хранят в закрытых складах.

3. Стеновые керамические материалы и изделия.

Наибольшего развития достигли стеновые материалы, причем наряду с общим увеличением объема производства особое внимание обращено на увеличение выпуска эффективных изделий (пустотелый кирпич и камни, керамические блоки и панели и т.д.).

К стеновым керамическим изделиям относят глиняный строительный кирпич и керамические камни.

Согласно ГОСТ 530—71, кирпич глиняный обыкновенный представляет собой искусственный камень, имеющий форму параллелепипеда размером 250Х120Х65 мм, изготовленный из глины с добавками или без них и обожженный. Допускается также изготовление полуторного кирпича толщиной 88 мм с технологическими пустотами и массой не более 4 кг. Практически его изготовляют очень редко.

Все керамические изделия конструктивного назначения, имеющие размеры больше кирпича, называют керамическими камнями.

Кирпич является одним из наиболее древних искусственных строительных изделий. Его «возраст» составляет примерно 5000 лет, и до сего времени он продолжает сохранять значение одного из основных стеновых материалов. Его доля в общем балансе стеновых материалов составляет около 40%.

                                                                     Рис. 1. Виды керамических стеновых изделий

а — обыкновенный кирпич; б — дырчатый кирпич с круглыми пустотами; в—щелевой камень; г—готовый камень НИИСтройкерамики с ромбовидными пустотами для панелей;  д — щелевой камень ВНИИСТРОМа для панелей.

Допускаемые отклонения от размеров кирпича и  камней не должны превышать: по длине  ±4 мм, по ширине ±3 мм, по толщине: для  кирпича +3 и -- 2 мм, для камня ±3 мм.

Основные свойства керамических стеновых материалов -- механическая прочность, объемная масса и плотность, водопоглощение, морозостойкость -- регламентированы соответствующими стандартами. Эти свойства в значительной степени зависят от пористости и показателя плотности изделий.

Прочностью  материала называется его способность сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних сил (нагрузок).

Кирпич хорошо сопротивляется сжатию, хуже -- растяжению. Поэтому его применяют в конструкциях, работающих на сжатие.

Прочность кирпича характеризуется пределом прочности при сжатии и изгибе. Пределом прочности кирпича называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Объемной  массой называется масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Если кирпич или камни имеют специальные пустоты, то различают объемную массу брутто без вычета объема пустот и объемную массу нетто с вычетом пустот.

Объемную массу  брутто изделия вычисляют по его  внешним размерам и она зависит от количества пустот и объемной массы материала керамики.

Показатель  плотности материала -- это степень заполнения его объема твердым веществом, из которого состоит данный материал. Определяют показатель плотности материала С как отношение объемной массы к плотности материала. Плотность керамических стеновых материалов всегда меньше 100%' вследствие большего или меньшего количества пор. По плотности можно определить пористость материала.

Водопоглощение-- это способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при погружении и выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала (массовое водопоглощение или к объему материала в сухом состоянии (объемное водопоглощение ).

Морозостойкость -- способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Морозостойкость характеризует срок службы материала.