Классификация материалов по температуре применения

2013

Часть 1

1. Классификация  материалов по температуре применения

В зависимости от степени  огнестойкости строительные материалы  разделяют на несгораемые, трудносгораемые  и сгораемые.

Несгораемые материалы  в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров.

Трудносгораемые материалы  под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы тления или обугливания  полностью прекращаются.

Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них - древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой  температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного  времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами  и т.п.), а материал сохраняет необходимые  технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей.

Материалы, способные  длительное время выдерживать воздействие  высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы.

Температуростойкость  или термостойкость - способность  выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям. Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения - линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С. Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10 ... 14) • 106, для древесины вдоль волокон (3 ... 5) • 106.

2. Главнейшие  излившиеся горные породы: минералогический  состав, объемная масса, прочность  при сжатии и область применения (данные представьте в виде таблицы)

Излившиеся породы являются аналогами глубинных по составу, но сильно отличаются от них по структурным  и текстурным особенностям.  
Наличие полнокристаллической и стекловатой структур, а также немассивной, часто пористой текстуры неблагоприятно отражается на стойкости их к выветриванию и стабильности прочностных показателей. Однако среди них обнаруживается немало прочных и плотных разновидностей, широко применяемых в строительстве. Из их числа рассматриваются кварцевые порфиры и липариты; бескварцевые порфиры (ортофиты) и трахиты; порфирита и андезиты; диабазы и базальты, расположенные в приведённом порядке по тому же признаку уменьшения кремнезёма, что и в группе глубинных пород.

3. Процессы, происходящие  в глинах при нагревании.

При нагревании глиняного  теста до 110°С происходит удаление задельной воды и гигроскопической влаги, что вызывает воздушную усадку. Повышение температуры до 500—600° С приводит к удалению химически связанной воды, что, в свою очередь, приводит к потере глиной свойства пластичности. Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению некоторых примесей глин.

Углекислые соли разлагаются  с выделением углекислоты, углерод  и сера выгорают, а также выгорают все органические вещества. При повышении  температуры отдельные частицы  различных легкоплавких примесей оплавляются. При этом наступает уплотнение глиняного черепка и повышение его прочности; наступает период так называемого «начального спекания».

При дальнейшем нагревании легкоплавкие примеси, расплавляясь под  действием высокой температуры, образуют жидкую фазу — расплав, который заполняет поры и, стягивая частицы основного вещества, вызывает уплотнение и значительную «огневую усадку». Максимальное уплотнение черепка, образовавшееся в результате исчезновения открытых пор, характеризует его «полное спекание». Наиболее полное спекание черепка приводит к повышению механической прочности, что в свою очередь находится в прямой зависимости от количества жидкой фазы.

Чем больше образовалось в процессе спекания жидкой фазы, тем  прочнее образцы. В практике спекшимся  черепком считается такой, который поглощает воду в количестве не более 5,0% своего веса (ГОСТ 5499—50). Температура спекания находится в зависимости от продолжительности нагревания. Продолжительное нагревание вызывает спекание при более низкой температуре.

Повышение температуры приводит к увеличению жидкой фазы, к снижению ее вязкости и размягчению материала, что вызывает деформацию образцов. При размягчении может наблюдаться вспучивание, образование пузырей, вследствие расширения газов, содержащихся и образующихся в закрытых порах.

По мере повышения  температуры и увеличения количества жидкой фазы за размягчением глин следует  плавление, которое наступает постепенно.

Таким образом, глины  плавятся в некотором интервале, не имея определенной температуры плавления. Это объясняется тем, что глины представляют собой весьма сложные силикатные смеси, отдельные составляющие которых ведут себя различно при одинаковых температурных условиях. В связи с этим для характеристики плавкости пользуются определением огнеупорности глины, понимая под этим температуру, при которой наступает состояние значительного размягчения.

Интервал между температурой спекания и температурой плавления  называют интервалом плавкости, причем величина его имеет существенное значение при обжиге керамических изделий. Чем больше интервал плавкости, тем меньше могут оказывать влияние на их качество перепады температур в печи при обжиге. Глины, богатые Аl2O3, обладают большими интервалами плавкости. Понижение интервала плавкости вызывается присутствием в глинах CaO.

4. Способы изготовления и свойства керамических облицовочных плиток

Технология производства керамической плитки Основные способы производства. Сырье

На заводах строительной керамики изделия производят в основном, тремя способами: полусухим прессованием из порошков влажностью 5—7% (основной способ), литьем из шликера (глинистая суспензия в воде) влажностью 30—33% и пластическим формованием из масс влажностью 14—20%.

Изделия строительной керамики в общем случае получают в процессе технологической обработки глинистого сырья с минеральными добавками, формования изделий, сушки и обжига (термообработки) их до спекания различной степени в зависимости от назначения изделия и качества глинистого сырья.

Поточно-конвейерные  линии (ПКЛ) керамоплиточного производства включают комплекс оборудования, каждый агрегат которого является самостоятельным узлом в единой технологии: прессы полусухого прессования, распределительно-разгрузочные устройства прессованных полуфабрикатов перед сушкой и обжигом, щелевую сушилку, глазуровочные и декорирующие устройства, печи скоростного обжига, установки для сортировки и упаковки изделий.

Сырьем для керамических плиток служат основные компоненты (глины, каолины), отощающие компоненты для  снижения усадки (кварцевые пески, природные  и полученные при обогащении каолинов), плавни для понижения температуры спекания (природные — полевые шпаты, нефелины, перлиты и искусственные — стекло и шлаки) и добавки (разжижители, ПАВ, механоактивирующие и др.).

Керамические плитки для внутренней облицовки стен получают в основном из красных легкоплавких, реже светлых тугоплавких глин полусухим прессованием пресс-порошков влажностью 6—7%, используя чаще всего шликерную подготовку последних.

Приготовление и компоненты шихты

При шликерной подготовке массы глинистые компоненты распускают в воде до коллоидного состояния, отощающие и плавни диспергируют до частиц менее 0,06 мм. Рафинирование компонентов, их смешение и гомогенизация шликерной массы происходят в водной суспензии, что создает необходимые условия для последующих технологических процессов — формования, сушки и обжига.

Измельчение и грубый помол глинистых проводят в дробильно-размольных машинах первичного дробления (вальцах  различных конструкций, дезинтеграторах, стругачах, бегунах); тонкий помол и  смешение компонентов — в шаровых мельницах. Продолжительность помола глинистых и отощающих различна, поэтому сначала загружают более твердые отощающие с небольшим количеством глинистых (до 7%), которые для предупреждения расслоения суспензии измельчают в течение 3—5 ч. Затем вводят остальное количество глинистых и продолжают измельчение еще 2—3 ч.

Для более эффективного измельчения компонентов шихты  рекомендуют использовать сильнодействующие  поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие ее реологические характеристики. Это могут быть эфиры моно-, ди- или триалкилфосфата. Их добавляют после подачи достаточного количества воды в ходе мокрого измельчения.

Совершенствование технологии керамической плитки с целью повышения  ее качества проводится на всех стадиях  процесса ее производства — выбора и расчета керамических масс, переработки сырья, подготовки шликера и его обезвоживания при получении порошка, прессовании, сушке, обжиге и декорировании изделий.

Для улучшения структуры  черепка в состав для получения  керамических плиток рекомендуют дополнительно вводить отходы фарфорового производства.

Предлагают в качестве отощающих компонентов использовать шамотную пыль, поскольку свойства керамической плитки с добавлением  шамотной пыли соответствуют регламентированным показателям. Качественную облицовочную плитку предлагается получать и с использованием отходов гравитационного обогащения угля. Здесь особенностью технологии является предварительный обжиг породы для выжигания углерода и активации глинистой составляющей. Себестоимость такой плитки на 40% ниже обычной. Облицовочная глазурованная плитка в этом случае имеет следующие характеристики: водопоглощение 12—17%, прочность на изгиб 12—14 МПа, средняя плотность 1,9 г/см³.

Для изготовления облицовочной плитки используют и твердые остатки шахтных вод; в этом случае плитки могут содержать оксид железа в количестве 7—20%.

Итальянская фирма «Велко»  и американская фирма «Вортек» для  производства напольной плитки «Экотайл»  предлагают в состав шихты вводить  до 70— 90% стекольного компонента в виде остеклованной золы. Остекловывание заключается в быстром и сильном нагреве (примерно до 1600—1650 °С) зольных отходов в виде частиц размером около 1 мкм. Золу и другие подобные материалы подают в камеру сжигания инжектированием, при этом органические материалы сгорают первыми; минеральные материалы нагревают в зависимости от их природы до температуры 1260—1550 °С и затем вводят в тигель для плавления.

Остеклованную золу рекомендуют  использовать для изготовления напольных  плиток. Полученные на остеклованной золе напольные плитки характеризуются высокой прочностью (до 70 МПа), водопоглощением 2—0,5% и эстетичностью. Модифицированный состав массы для напольных плиток можно использовать и для облицовочных плиток.

Получение порошка для прессования

Керамическую суспензию  обезвоживают, как правило, в башенных распылительных сушилках (БРС), что  дает возможность получить однородный порошок влажностью 6% ± 1% с гранулами  размером 0,24— 0,32 мм, сферическая форма  которых снижает пыле- образование  и зависание порошка в бункерах. Использование БРС для последующего прессования имеет неоспоримые преимущества по сравнению с другими способами подготовки порошка, а именно: однородность порошка по влажности, зерновому и химическому составам; повышенная реакционная способность порошка; высокий скоростной режим обезвоживания и технологичность.

Широкие исследования проводятся с целью определения влияния  природы водных алюмосиликатных  шликеров на характеристики гранул, получаемых в распылительной сушилке. При содержании в шликере 30—40%(об.) твердой фазы и 0,35—1,00%(мас.) дефлокулянта (полиакрилата аммония) наблюдается корреляция между реологическими характеристиками шликера и получаемых гранул. Плотность упаковки частиц внутри гранул, полученных из шликеров с более высоким напряжением при пределе текучести, более низкая и зависит от содержания в шликере твердой фазы. Гранулы шликера с содержанием 0,35%(мас.) дефлокулянта (что соответствует высокому уровню напряжения при пределе текучести) имеют твердую структуру, в то время как при более высоком содержании дефлокулянта образуются полые гранулы с большими открытыми порами (кратерами). Существует критическое значение напряжения при пределе текучести шликера, выше которого образуются твердые гранулы. Более высокая степень дефлокуляции шликера приводит к образованию гранул с более высокой плотностью упаковки. Тип распылительной сушилки не влияет на пустота ость образующихся гранул.

Прессование

Чтобы получить качественный высокоплотный и прочный прессованный сырцовый полуфабрикат целесообразно использовать монофракционные порошки с однотипной влажностью, минимальным содержанием пылевидных частиц и хорошей текучестью. Положительное влияние оказывает на качество изделий двухстороннее прессование, которое обеспечивает равномерность распределения массы по объему и предупреждает образование продольных трещин по толщине прессованного сырца.

Прессование плитки производят на колено-рычажных и гидравлических прессах. Давление прессования колено-рычажных прессов — не более 20—24 МПа, гидравлических [ПУ-160, ПУ-250 и ПУ-500 (Германия) и РН-550 «Сакми» (Италия)] — 16— 55 МПа и выше, поэтому их используют чаще.

Для стадии прессования  важно установить зависимость: влажность  порошка—давление прессования- плотность  сырца. С уменьшением влажности порошка давление прессования растет и требуются мощные прессы для получения плотного сырца (напольные плитки). Принято считать, что для получения качественного сырца наиболее эффективны гидравлические прессы. Однако высокая скорость сжатия—уплотнения приводит к попаданию воздуха в толщу сырца с последующим упругим последействием и разрыхлением его. В связи с этим заметна тенденция к возвращению к механическим прессам.

Сушка полуфабриката

Отпрессованный сырец (полуфабрикат) керамической плитки из-за наличия влаги имеет невысокую механическую прочность. Для обезвоживания и упрочнения полуфабрикат сушат до конечной влажности 0,1—0,3%. Сроки сушки зависят от плотности и толщины прессовок и колеблются в пределах 9—10 мин для облицовочных плиток, 35—65 мин для напольных, 12—35 мин для фасадных.

В основу конструкции  современных сушилок для керамической плитки положен принцип скоростной однорядной сушки на роликовых или  сетчатых конвейерах. Однорядные сушилки  позволяют вести процесс обезвоживания  в оптимальных условиях, поскольку теплоноситель воздействует непосредственно на каждое изделие. Однорядная сушка характеризуется малыми временем сушки и расходом топлива, полностью исключает ручной труд при обслуживании сушильного агрегата.

Обжиг. Плавни

Обжиг — наиболее важная технологическая операция в производстве керамических изделий. В результате физико-химических процессов, протекающих в керамической массе при спекании, изделия приобретают прочность и водостойкость.

Температура обжига ниже при жидкофазном спекании с участием легкоплавких компонентов. Жидкофазное спекание — основной процесс при обжиге строительной керамики. Жидкая фаза возникает при воздействии высоких температур из легкоплавких примесей в глине, которые образуют эвтектический расплав при более низких температурах, чем температура плавления основных компонентов смеси. В рецептуры керамических масс специально добавляют легкоплавкие компоненты — перлит (вулканическое стекло), легкоплавкие стекла, пегматит (силикатная горная порода), нефелин KNa₃[AlSiO₄]₄, пирофиллит Al₂(OH)2[Si₄O₁₀], сподумен LiAl[Si₂O₆] и т.п.

В производстве напольных  плиток необходимо введение в шихту  плавней для достижения полного  спекания массы при 1190—1230 °С. В качестве основных плавней служат пегматиты, кальциевые и натриевые полевые шпаты. Для ускорения спекания совместно с основными плавнями часто используют вспомогательные, такие как магнезит, доломит, тальк или волластонит. Испытания показали, что введение талька в количестве 1,5—3%(мас.) вместо полевого шпата или пегматита способствует улучшению спекания, снижению температуры обжига на 13—26%, повышает кажущуюся плотность до 2,42 г/см³, а также прочность на изгиб и устойчивость к абразивному износу, уменьшает пористость.

Исследование возможности  использования булгарита (калиево-щелочной магматической горной породы, большая часть которой представляет собой полевой шпат) в качестве глинистого компонента в составе керамических масс для производства плиток показало, что с увеличением содержания булгарита прочность керамического материала увеличивается, водопоглощение уменьшается и усадка возрастает. Плитка, содержащая 70%(мас.) булгарита и 30%(мас.) огнеупорной глины, имеет прочность при изгибе 42,08 МПа, водопоглощение 2,52%. Температурный коэффициент линейного расширения (TKЛP) плитки составляет 62,49 • 10^-7град^—1 (201—400 °С), микротвердость — 11,14 МПа (около 7 по шкале Мооса).

В качестве плавня, заменяющего  полностью или частично полевой  шпат, часто используют (в количестве менее 20%(мас.)) молотые отходы производства различных стекол (боросиликатного, барийсиликатного и др.) в виде порошка с размером частиц 12— 13 мкм. В результате при 1150 °С получается плотноспекшийся малопористый продукт.

Исследована возможность  достижения требуемой степени спекания с помощью микроволн, что позволяет сократить время спекания и улучшить тонкую структуру и свойства керамики.

Декорирование плитки

Декорирование, помимо эстетических целей, предохраняет керамическую плитку от загрязнений, делает ее водонепроницаемой. Декорирование включает несколько  операций: глазурование, ангобирование, пигментацию и окрашивание.

Глазурование — нанесение  на поверхность обожженной плитки тонкого  слоя водной суспензии высокодисперсного  стеклянного порошка (фритты) с последующим  закреплением обжигом (вторым). Бывает прозрачным и глухим.

Для обеспечения сцепления  глазури с черепком, получения  качественной лицевой поверхности  и снижения толщины верхнего лицевого слоя накладывают подглазурное покрытие из качественной глины (ангобирование) с содержанием глинистой составляющей от 50%(мас.) с добавлением щелочесодержащих плавней в виде природных минералов или стеклобоя. Для верхнего лицевого слоя рекомендуют при этом применять боросиликатную глазурь на основе фритты 23-Ц. Подглазурный слой способствует снижению диаметра газовых пузырей в глазури до 20 мкм и менее, что устраняет появление наколов и сборок на поверхности глазури. При использовании двухслойного покрытия расход глазури снижается на 30—40%. При этом толщина верхнего лицевого слоя уменьшается, способствуя тем самым повышению морозостойкости и долговечности плитки.

Для прозрачного глазурования целесообразно использовать стекла, содержащие 45—55% SiО₂ и 20— 30% MgO. За время образования расплава происходит полное выгорание органического компонента, что устраняет опасность образования наколов.

Пигментация — введение в шихту минеральных пигментов, создающих в результате спекания массы требуемую цветовую гамму.

Окрашивание — нанесение  на/под глазурь в зависимости  от прозрачности термостойкого красителя  с последующей тепловой обработкой (для фиксации на глазури).

За рубежом в последние  годы в связи с компьютерной оптимизацией процесса декорирования произошло  глубокое изменение методов глазурования и составления глазурей и однократный  обжиг значительно потеснил двукратный (для этого требуется совместимость глазури с черепком по ТКЛР).

В России в качестве декорирующих средств стеновой глазурованной  керамики, обработанной низкотемпературной плазмой, на основе глин Терновского  месторождения «Поляна» Белгородской области исследовано использование отходов обогащения железной руды. После обжига поверхность образцов обрабатывали плазменной горелкой, в результате чего образовывался глазурный слой толщиной 1000 ± 200 мкм. Введение в состав керамической массы до 15% отходов обогащения железистых кварцитов КМА улучшает физико-механические свойства как керамического черепка, так и глазурного слоя. Такие отходы можно эффективно использовать для получения глазурованной керамики насыщенного черного цвета.

Предложены два способа  улучшения эстетики фарфоровых плиток. Способы являются альтернативными и хорошо вписываются в существующие технологические линии. Первый — послойное многократное введение в шихту порошков разного цвета с последующим их прессованием или прессование смеси окрашенных в разный цвет гранул. Таким образом полученные плитки по своему внешнему виду напоминают гранит или мрамор и создают хороший эстетический эффект. Второй способ улучшения внешнего вида — введение в смесь растворимых солей и пигментов для получения плиток с цветовой гаммой натуральных камней".

Предложен способ декорирования  керамических плиток, предусматривающий  распределение по форме керамического  материала (формирование подложки), нанесение  на поверхность подложки декорирующего  материала и совместное прессование  основного и декорирующего слоев с получением спрессованной керамической плитки с заданным поверхностным рисунком из декорирующего материала. Аппаратура для декорирования включает устройство для распределения материала основного слоя, устройство для нанесения декорирующего материала на основной слой и пресс.

Новая система декорирования  керамической плитки «Ротоколор» имеет  специальную автоматическую самоочищающуюся  систему — краситель заполняет  углубления на силиконовой поверхности  цилиндра, а избыток его удаляется лезвием. Эластичность силикона позволяет наносить краситель на любую поверхность — от гладкой до шероховатой.

Свойства керамической плитки

Прочность и жесткость. Керамическая плитка — очень прочный  и твердый материал. Предел прочности  при так называемой "сосредоточенной нагрузке" в 10-20 раз превосходит возможности бетона или железобетона и при условии правильной укладки может достигать 30000 т/м 2.

Керамическая плитка выдерживает достаточно высокие  нагрузки на разрыв.

Огнеупорность и огнестойкость. Именно благодаря огнеупорности плитку используют для облицовки печей и каминов. Огнестойкость позволяет этому материалу защищать от огня облицованную поверхность. Причем при нагревании керамическая плитка не выделяет токсичных газов.

Теплоемкость и теплопроводность. Благодаря этим свойствам плитка быстро вбирает и проводит тепло, что является "плюсом" при облицовке керамикой печей и каминов. Но пол, покрытый кафелем — холодный (этот недостаток можно устранить, если пол сделать обогреваемым).

Устойчивость цвета. Плитка не чувствительна к воздействию солнечных лучей. В отличии от других отделочных материалов (обоев, тканей, пластмасс) она не изменяет своего цвета.

Антистатичность и электроизоляционные  свойства. Вас не ударит разрядом статического электричества, как это бывает при хождении по синтетическим поверхностям (линолеуму, ковролину). Кроме того, сама керамическая плитка не проводит электрический ток.

Химическая стойкость. Керамическая плитка обладает "иммунитетом" к разрушающему воздействию химически  активных веществ (кроме фтористо-водородной кислоты).

Гигиеничность. Керамическая плитка — один из самых гигиеничных  материалов. На ее поверхности не "гнездятся" бактерии и микробы. Поэтому плиткой  облицовывают стены и полы в операционных, где стерильность крайне необходима.

Декоративность. Достаточно просмотреть несколько коллекций  керамической плитки, чтобы самостоятельно убедиться в высоких декоративных качествах этого материала.

5. Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые  вяжущие — группа воздушных вяжущих веществ, в затвердевшем состоянии состоящих из двуводного сульфата кальция (CaSO₄ • 2Н₂О), включает в себя собственно гипсовые вяжущие (далее для краткости — гипс) и ангидритовые вяжущие (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Гипс (в строительной практике иногда используют устаревший термин алебастр от гр. alebastros — белый) — быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция CaSO₄ • 0,5Н₂О, получаемого низкотемпературной (< 200° С) обработкой гипсового сырья.

Сырьем для гипса  служит в основном природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (CaSO₄•2Н₂О) и различных механических примесей (глины и др.). В качестве сырья могут использоваться также гипсосодержащие промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка. Все это указывает на то, что проблем с сырьем для гипсовых вяжущих нет.