Керамические материалы

      В зависимости от вида изготовляемой  продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами. Способ приготовления массы определяет и способ формирования и название в целом способа производства.

      При пластическом способе подготовки массы и формирования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.  На рис.1 приведена одна из технологических схем производства кирпича пластическим способом.

Рис.1 Технологическая  схема производства керамического  кирпича:

1-карьер  глины; 2- экскаватор; 3- глинозапасник; 4- вагонетка; 5- ящичный подаватель; 6-добавки; 7-бегуны; 8-вальцы; 9- ленточный пресс; 10-резак; 11-укладчик; 12- тележка; 13- сушильные камеры; 14- туннельная печь; 15- самоходная тележка; 16- склад

      Набор и разновидности машин для  подготовки массы могут отличаться от приведенных на рис.1 в зависимости  от свойств сырья и добавок. Однако формование при пластическом способе всегда производится на машине одного принципа действия-ленточном шнековом прессе с вакуумированием и подогревом или без них. Вакуумирование и подогрев массы при прессовании позволяет улучшить ее формировочные свойства, увеличить прочность обожженного изделия до 2-х раз.

      Производительность  современных ленточных прессов  по производству кирпича достигает 10000 штук в час.

     Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. Вакуум-пресс создает давление прессования. В связи с тем, что «жесткое» формование осуществляется при относительно высоких 10-20Мпа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку. Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах. Эти способы формования наиболее распространены при выпуске: сплошных и пустотелых кирпичей,блоков и панелей; черепицы и т.п.

     Полусухой способ производства строительных керамических изделий распространен меньше, чем  способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют  из шихты с влажностью 8-12% при  давлениях 12-40 Мпа. Недостаток способа  в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но вместе с тем он имеет преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины большим количеством добавок отходов производства- золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее1 мм и 50% размером 1-3 мм.

     Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах. По этому способу делаются все виды изделий, которые изготовляются и пластическим способом.

     Сухой способ является разновидностью современного развития  полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки. Таким способом изготовляют плотные керамические изделия-плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

     Шликерный способ применяется, когда изделия  изготавливаются из многокомпонентной  массы, состоящей из неоднородных и  трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить  массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготовляются санитарно-технические изделия, облицовочные плитки.

     Сушка изделий

     Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений  и растрескивания при обжиге.

     Прежде  сырец сушили преимущественно в  естественных условиях в сушильных  сараях в течение 2-3 недель в зависимости  от климатических условий.

     В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилках в течение от нескольких до 72-х  часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя – отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха- 120-150̊С.

     Обжиг изделий

     Обжиг – важнейший и завершающий  процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, обжиг и регулируемое охлаждение. При нагреве сырца до 120̊С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но, если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале от 450̊С до 600̊С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 800̊С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакции в твердой фазе на границе поверхностей частиц компонентов.

     В процессе нагрева до 1000̊С возможно образование новых кристаллических  силикатов. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Эта усадка называется огневой усадкой.  В зависимости от вида глин, она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин.

     В зависимости от назначения обжиг  изделий ведется до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строительных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемым интервалом спекания.

     Интервал  спекания для легкоплавких глин составляет 50-100̊С, а огнеупорных до 400̊С. Чем  шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге.

     Интервал  температур обжига лежит в пределах: от 900̊С до1100̊С для кирпича, камня, керамзита; от 1100̊С до 1300̊С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий, фаянса; от 1300̊С до 1450̊С для фарфоровых изделий; от 1300̊С до 1800̊С для огнеупорной керамики. 
 
 

3. Свойства изучаемого материала.

 

     Керамические  материалы представляют собой композитные  материалы, в которых матрица  или непрерывная фаза представлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза представлена нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песчаных фракций, а также порами и пустотами, заполненными воздухом. Материал матрицы в свою очередь представляет собой макрокомпозиционный материал, состоящий из матрицы- непрерывной стекловидной фазы застывшего расплава и дисперсной фазы- кристаллических зерен силлиманита, муллита, кремнезема различных фракций и других веществ, кристаллизирующихся при остывании. Стекловидная, аморфная фаза представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизироваться при заданной скорости остывания расплава.

     Истинная  плотность керамических материалов 2,5-2,7г/см3; плотность 2000-2300кг/м3; теплопроводность абсолютно плотного черепка 1,16(В/м̊С). Теплоемкость керамических материалов 0,75-0,92 кДж/(кг̊С).

     Предел  прочности при сжатии керамических изделий меняется в пределах от 0,05 до 1000 МПа.

     Водопоглощение  керамических материалов в зависимости  от пористости меняется в пределах от 0 до 70%.

     Керамические  материалы имеют марки по морозостойкости: 15; 25; 35; 50; 75; 100.

     Стеновые  изделия.

     К группе стеновых изделий относятся: кирпич керамический, обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней.

     Керамические кирпичи и камни.

     Керамические  кирпичи и камни изготовляют  из легкоплавких глин с добавками  или без них и применяют  для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и  сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков.

     В зависимости от размеров кирпич и камни подразделяются на виды: кирпич обыкновенный, утолщенный, модульный, камень обыкновенный, укрупненный, модульный и с горизонтальным расположением пустот. 

     

     Рис.2 Типы керамического кирпича и  камня:

     Кирпич: а) обыкновенный; б) утолщенный; в) модульный.

     Камень: г) обыкновенный; д) укрупненный; е) модульный; ж), з) с горизонтальным расположением пустот 

     Кирпич  может быть полнотелым и пустотелым, а камни только пустотелыми. Утолщенный и модульный кирпич должен быть также  только с круглыми и щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4 кг. Поверхность граней может быть гладкой и рифленой. Кирпич и камень должен быть нормально обожжен, так как недожег (алый цвет) обладает недостаточной прочностью, малой водостойкостью и морозостойкостью, а пережженый кирпич (железняк) отличается повышенной плотностью, теплопроводностью и, как правило, имеет искаженную форму.

     Допускается изготовление кирпича и камней с  закругленными углами с радиусом закругления до 15мм. Размер цилиндрических сквозных пустот по наименьшему диаметру должен быть не менее 16мм, а ширина щелевых пустот не более 12мм. Диаметр несквозных пустот не ограничивается. Толщина наружных стенок кирпича и камней должна быть не менее 12мм. По внешнему виду кирпич и камень должны удовлетворять определенным требованиям. Это устанавливается путем осмотра и обмера определенного количества кирпича от каждой партии (0,5%, но не менее 100шт.) по отклонениям от установленных размеров, непрямолинейности ребер и граней, отбитости углов и ребер, наличию сквозных трещин, проходящих по постели кирпича. Общее количество изделий с отклонениями, выше допустимых, должно быть не более 5%.

     В зависимости от этих показателей  прочности определяют марку изделий, например кирпича.

     Морозостойкость кирпича и камней 15, 25, 35 и 50.Водпоглощение для полнотелого кирпича должно быть для марок до 150 не менее 8%, а для полнотелого кирпича более высоких марок и пустотелых изделий не менее 6%.

     По  плотности в сухом состоянии  кирпич и камни подразделяются на 3 группы:

     обыкновенные – с плотностью более 1600кг/м³;

     условно-эффективные  – с плотностью более 1400-1600кг/м³;

     эффективные – с плотногстью не более 1400-1450 кг/м³.

     К эффективным стеновым материалам относятся  также пористые сплошные и пустотелые кирпич и камни, изготовляемые из диатомитов и имеющие плотность: класс А – 700-1000кг/м³, класс В > 1301 кг/м³.

     Применение  эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить  толщину наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструкций до 40%, сократить транстпортные расходы и нагрузки на основание.

     В различных странах выпускаются  отличающиеся между собой стеновые материалы как по номенклатуре, так  и по типоразмерам и маркам. Так, марка кирпича, выпускаемая за рубежом, составляет 125-600, причем основная масса кирпича производится с маркой 400. В Германии, например, стандарт «Стеновой кирпич» предусматривает производство: обыкновенных полнотелых и пустотелых кирпичей и камней 14-ти типов с размерами 240х115х52 – 490х300х238 марок от М40 до М280 и плотностью 1200-2200 кг/м³; легких пустотелых кирпичей и камней 13-ти типоразмеров марок от М20 до М280 и плотностью 600-1000кг/м³; высокопрочных кирпичей и камней марок М360, М480 и М600: для внутренних стен и перегородок – пустотелых кирпичей, камней и плит с размерами 330х175х40 – 945х320х115.

     В Санкт-Петербурге фирма «Кнауф» (Германия) выпускает: кирпич строительный, размером250х120х65мм и плотностью 1200кг/м³; поризованный камень 2NF, размером 250х120х142мм, плотностью 850кг/м³; камень 2NF крупноформатный поризованный, размером 510х260х129мм, плотностью 850кг/м³.

     В зарубежной практике известно производство кирпича пазогребневой конструкции  для безрастворной кладки, крупноразмепрных стеновых элементов, звукоизоляционного кирпича и других стеновых изделий. 
 
 
 
 
 
 

4.   Применение материала  в архитектуре  и реставрационной  практике