Лекция 4 по материаловедению (тема 3 – 1-й курс)
Тема. Искусственные обжиговые каменные материалы
1. Три вида обжиговых материалов. Примеры. Особенности материалов в зависимости от вида обжига.
Горные породы с целью получения строительных материалов подвергают или механической обработке (см. предыдущую лекцию), или переработке под действием высокой температуры – обжигу. В зависимости от природы материала, температуры и для получения желательных свойств продукта обжига различают
материалы, обожженные не до спекания,
материалы, обожженные до спекания,
плавленые материалы.
При обжиге не до спекания из горной породы в результате химической реакции получается рассыпчатый продукт. Так получают некоторые вяжущие вещества - строительный гипс, известь.
В процессе спекания частицы сырья оплавляются с поверхности, образуется как бы горячий клей, связывающий еще не полностью расплавленные частицы. После остывания получается прочный материал. Таким образом получают кирпич и другие керамические изделия из глины. При малой степени спекания материал пористый, при большой – плотный. При спекании происходят химические реакции, так что конечный продукт по составу отличается от сырья. Пористый обожженный до спекания материал получается также, если при реакциях обжига выделяются газы. При этом происходит вспучивание (увеличение в объеме) спекаемой массы вследствие образования пор. Широко известен материал керамзит, представляющий собой вспученную глину. Его применяют в качестве заполнителя для легкого бетона и для теплозвукоизоляционных засыпок. Обычный цемент (называемый портландцементом) также относится к материалам, обожженным до спекания. Цемент в порошке получают размалыванием сильно спекшихся частиц, так называемого портландцементного клинкера.
Если сырье полностью расплавляется при обжиге, после остывания получаются плавленые материалы. При этом остывший материал может быть аморфным или кристаллическим. Наиболее распространенный аморфный (некристаллический) каменный материал – стекло. Кристаллические материалы и изделия, полученные из каменных расплавов, называют каменным литьем. Процесс литья камня – петрургия – сложный и энергоемкий. Камнелитные изделия отличаются большой плотностью и практически полным отсутствием пористости. Даже если при плавлении выделяются газы, процесс ведут до полного их удаления. В металлургических процессах при плавлении горных пород, называемых рудами, образуется сразу два плавленых материала – металл и шлак. Металл – важнейший из современных материалов – мы будем изучать отдельно. Шлак, т.е. «пустая порода», оставшаяся после выплавки металла, также находит применение в строительстве.
В данном разделе рассмотрим далее керамические материалы и стекло.
2. Керамика. Характеристика глины как сырья для керамики. Превращения глины при обжиге.
Определение. Глиняная, оксидная, карбидная керамика.
"Керамика - материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с различными добавками, а также оксидов и др. соединений металлов". (Политехнический словарь)
По древности происхождения и по применению в изучаемой вами отрасли – строительстве – на первое место поставим глиняную керамику. Слово keramos пришло из древней Греции, где оно обозначало глину, предназначенную для производства гончарных изделий. Происхождение самого материала уходит корнями в глубокую древность. Керамические черепки находят в раскопках, относящихся к 13-12 тысячелетию до н.э. Обожженный кирпич был известен в древнем Вавилоне. Да и клинописные записи, из которых почерпнуты сведения о Вавилонском кирпиче, сделаны на пластинках из обожженной глины (они были записаны, конечно, на сырой глине и закреплялись обжигом).
К глиняной керамике относят все изделия из обожженной глины – от грубого кирпича до чашки из тончайшего фарфора. В торговле применяют термины кирпич, керамика, фарфор, фаянс, огнеупоры, однако, в технологическом отношении все это керамика, т.е. материалы и изделия, полученные обжигом глин различного состава с добавками при различной температуре до спекания. Значительно позже появились изделия из спеченных порошков неорганических соединений – оксидов, карбидов нитридов металлов, которые теперь применяют в радиотехнике и электронике.
В строительстве по-прежнему применяется только глиняная керамика. Распространенность глиняной керамики объясняется во многом свойствами сырья для ее изготовления – глины.
Пластичность - главная особенность глины для керамики.
"Пластичность - свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил". (Политехнический словарь)
Характерный признак пластичности глины – способность сохранять приданную форму изделия не только после формования, но и после обжига.
Пластичность глины обусловлена ее строением. Глина состоит из мельчайших частиц (около 0,01 мкм). В сухой глине создаются точечные контакты между частицами, при этом образуются объемные петли с пустотами, превышающими размеры самих частиц. При увлажнении глины вода внедряется, прежде всего, внутрь глинистых частиц, между плоскостями пластинчатых кристаллов алюмосиликатов. Частицы набухают, связи между ними ослабляются. При определенной влажности (wр) у глины появляется свойство раскатываемости. При дальнейшем увлажнении вода занимает пустоты в глине, промежутки между частицами. Контакты между частицами сохраняются вплоть до влажности текучести (wт), при которой частицы начинают «разъезжаться», глина течет. Свойство пластичности проявляется в промежутке между влажностью раскатываемости и влажностью текучести. Поэтому в технологии керамики и в науке о грунтах разность (в процентных пунктах) wт – wр называют числом пластичности глины. Для строительной керамики, в частности, для кирпича наиболее подходят глины с числом пластичности от 7 до 15. Глины с меньшим числом пластичности плохо формуются во влажном состоянии (рассыпаются), их называют тощими глинами. Керамику из тощих глин можно получать только при добавлении обогащающих добавок – глин с большим числом пластичности, называемых жирными глинами. Для получения керамики из жирных глин с числом пластичности более 15 в них добавляют отощающие добавки (чаще всего песок). Без отощающих добавок жирные глины дают большую усадку при обжиге, что приводит к растрескиванию изделий.
Спекаемость глины – важнейшее ее свойство уплотняться при обжиге и давать прочный материал, называемый в общем случае «глиняный черепок» О степени спекания можно судить по водопоглощению остывшего черепка.(рис. 1)
При температуре tA, соответствующей точке А на рис.1, начинается спекание. Водопоглощение обожженной глины резко снижается по мере повышения температуры обжига, достигая минимума при температуре tС. Разность tС - tA называется интервалом спекания глины. Интервал спекания легкоплавких глин (для стенового кирпича) 50˚... 100˚, для огнеупорных, тугоплавких глин достигает 400˚.
Точка Б на рис.1 соответствует водопоглощению 5 % и температуре tБ. Материалы, обожженные при температуре ниже tБ и имеющие водопоглощение черепка выше 5 %, называют пористой керамикой. Материал, обожженный при более высокой температуре и имеющий водопоглощение менее 5 %, называется плотной керамикой.
Рис.1. Зависимость водопоглощения глиняного черепка от температуры обжига
К пористой керамике относится, например, обычный стеновой кирпич, плитки для облицовки стен (не считая слоя глазури, который относится к плавленым материалам). Плотная керамика – плитки для пола, дорожный кирпич, а также фаянс, полуфарфор, фарфор.
При температуре, выше tС, может наблюдаться вспучивание материала (вследствие химических реакций с выделением газа) и соответственно повышение его пористости и водопоглощения. При таких высоких температурах получают, например, упомянутый выше керамзит.
Химические реакции при обжиге глины.
Высокотемпературные процессы спекания и плавления всегда сопровождаются химическими превращениями. Поэтому нельзя сказать, например, что глиняный кирпич состоит из глины. Он изготовляется из глины, но в процессе обжига гидроалюмосиликаты, из которых состоит глина, превращаются в другие вещества. Здесь даются простейшие представления о превращениях при обжиге минерала белой глины, называемого каолинитом.
При t > 450°C каолинит теряет кристаллизационную воду, превращаясь в метакаолинит:
Al2O3.2SiO2.2H2O = Al2O3.2SiO2 + 2H2O
каолинит метакаолинит
При t > 900°C (обычно 900° - это и есть температура начала спекания) метакаолинит разлагается, образуется муллит и кремнезем различных кристаллических модификаций:
3(Al2O3.2SiO2) = 3Al2O3.2SiO2 + 4SiO2
метакаолинит муллит кремнезем
Расплав этих веществ (аморфный при затвердевании) связывает зерна кристаллов их, в чем и заключается спекание. Аморфный расплав, таким образом, выполняет функцию высокотемпературного вяжущего.
Спекание составляет сущность технологии, называемой керамической. Технологию, основным процессом которой является полное расплавление сырья, называют стекольной.