3. Керамические материалы и технология их приготовления

1. Общие сведения о керамических материалах

Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовляемые из глин или их смесей с минеральными и органическими добавками путем формования и последующего обжига. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком. По структуре керамические изделия делят на две группы ‑ пористые и плотные. Первые характеризуются водопоглощением выше 5%, вторые – ниже 5%. К пористым изделиям относят кирпич глиняный обыкновенный, пористый и пустотелый, пустотные стеновые камни, кровельную черепицу, облицовочные плитки и трубы; к плотным изделиям – плитки для полов, дорожный кирпич.

Высокая прочность, долговечность и большой ассортимент изделий дают возможность широко использовать их при строительстве во всех частях зданий – от фундамента до кровли. Керамические изделия, обладая рядом положительных качеств, имеют один существенный недостаток – повышенную по сравнению с другими материалами хрупкость.

По конструктивному назначению различают керамические изделия: для стен (кирпич и керамические камни), облицовки фасадов (лицевой кирпич, камни, плитки), внутренней облицовки стен и полов (плитки облицовочные), перекрытий (пустотелые камни), кровли (черепица), санитарных коммуникаций (дорожный кирпич, трубы, санитарно-технические изделия), теплоизоляции (легкий кирпич, керамзит, аглопорит).

2. Сырье для производства керамических изделий

   Основным сырьем для производства керамических изделий являются различные глины, шамот, кварцевый песок, органические добавки (древесные опилки, угольная, торфяная пыль), выгорающие при обжиге.

   Глины представляют собой осадочные горные породы тонкоземлистого строения, которые независимо от минералогического и химического состава способны при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, переходящее после обжига в водостойкое и прочное камневидное тело. Образовавшись в результате выветривания полеватошпатовых пород, глины состоят из смеси различных глинистых минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты со слоистой кристаллической структурой:

каолинит –

галлуазит –

монтмориллонит –

бейделлит –

Наряду с глинистыми минералами в глинах встречаются кварц, полевой шпат, гидраты окислов железа, карбонаты кальция и магния, органические примеси.

Характерные для глин высокая пластичность и связующая способность обусловлены наличием в них очень мелких частиц пластинчатой формы размером менее 0,005 мм. Эти частицы называют глинистым веществом.

Керамические свойства глин характеризуют пластичностью, связностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичностью глин называют способность глиняного теста деформироваться под влиянием внешних механических воздействий без нарушения сплошности (без разрывов или образования трещин) и сохранять полученную форму после прекращения этих воздействий. На этом свойстве и основана возможность формования глиняных изделий.

По степени пластичности глины подразделяются на высокопластичные, имеющие водопотребность более 28% с воздушной усадкой 10-15%; средней пластичности – водопотребность 20-28% и с воздушной усадкой 7-10% и малопластичные – водопотребность менее 20% и с воздушной усадкой 5-7%. Пластичность глин можно повышать добавлением более пластичных глин, а также путем отмучивания, т.е. освобождением глины от примесей песка. Понизить пластичность глин можно добавлением отощающих добавок.

Пластичность глин зависит от гранулометрического состава: чем больше содержание глинистых частиц (мельче 0,001 мм), тем выше пластичность. В состав глин входят различные по крупности частицы: от 5 до 0,14 мм – песчаные фракции, от 0,14 до 0,005 мм – пылевидные фракции и менее 0,005 мм – глинистые фракции. Огнеупорные глины являются высокодисперсными – содержание фракций мельче 0,001 мм составляет 60-80%. В легкоплавких глинах преобладают фракции от 0,01 до 0,001 мм.

Связность и связующая способность. Усилие, необходимое для разъединения частиц глины, характеризует ее связность. Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие (сырец).

Воздушной усадкой глины называют уменьшение ее объема при сушке отформованных изделий в условиях нормальной температуры воздуха вследствие удаления из нее воды и сближения глинистых частиц. Воздушная усадка глин колеблется в пределах 4-15%.

Огневая усадка глин происходит при обжиге вследствие того, что наиболее легкоплавкие соединения глины переходят в жидкое состояние, жидкость обволакивает нерасплавившиеся частицы и заполняет промежутки между ними. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения жидкой фазы вызывают сближение частиц и объем ее уменьшается. Огневая усадка глин в зависимости от их вида может быть от 2 до 6%.

Полной усадкой глин называют сумму воздушной и огневой усадок. Полная усадка бывает в пределах от 5 до 18%. Для получения изделий с заданными размерами полную усадку учитывают при формировании, увеличивая соответственно размеры форм.

Огнеупорность – свойство глин выдерживать действие высокой температуры без деформаций. Определяют ее керамическими пироскопами (конусами Зегера), имеющими форму трехгранной пирамиды высотой 30 мм и стороной у основания 8 мм, а у вершины 2 мм и характеризуют той температурой, при которой конус размягчается и оседает, касаясь своей вершиной подставки, на которой он введен в печь. По огнеупорности различают глины трех групп: огнеупорные (огнеупорность свыше 1580 ^оС), тугоплавкие (1350-1580 ^оС) и легкоплавкие (ниже 1350 ^оС).

К огнеупорным относят каолинитовые глины, содержащие мало примесей. Такие глины используют для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий. Тугоплавкие глины содержат окислы железа, кварцевый песок и другие примеси в значительно большем количестве, чем огнеупорные, и применяются для изготовления тугоплавкого, облицовочного и лицевого кирпича, плиток для полов и канализационных труб. Легкоплавкие глины разнообразны по своему составу. Содержат большое количество примесей. Их используют в кирпичном и черепичном производствах, в производстве легких заполнителей и т.д.