Керамическая черепица

Введение

На сегодняшний день керамическая черепица – это самый знаменитый кровельный материал, который прекрасным образом вписывается в интерьер практически каждого деревянного дома. Керамическая черепица это материал, который проверен временем, и долгим периодом его использования. Если немного углубится в историю создания керамической черепицы, то можно проследить ее истоки происхождения в Риме. Это было более 2 тысяч лет назад. А вот, к примеру, глиняная черепица использовалась египтянами еще более 4 тысяч лет назад. Вот именно поэтому керамическая черепича получила статус королевы среди всех кровельных материалов. Это, прежде всего, достаточно прочный и защищающий материал, который отлично смотрится практически на всех домах, и при этом служит отличным дизайнерским ходом. Надежность у керамической черепицы более чем достаточная, и при этом Вы получаете приличную долговечность. Так что покупая керамическую черепицу Вам не придется задумываться над проблемами с крышей еще очень долгое время.

Керамическая черепица – это материал, который имеет достаточно большую огнеустойчивость, обладает низкой теплопроводностью, поглощает шум, не накапливает статическое напряжение.Если Вы собираетесь покрывать Вашу черепицу каким либо материалом, то Вы не потеряете ни в надежности, ни в продолжительности службы. Пострадает только внешний вид Вашей крыши, и только. Вас может порадовать не только разнообразие цветов при выборе керамической черепицы, но и относительно богатый модельный ряд изделий.

Рисунок 1- Натуральная керамическая черепица

1. Номенклатура

В настоящее время вырабатывают черепицу пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную и коньковую желобчатую.

В зависимости от назначения черепица может быть: рядовая – для покрытия скатов кровли; коньковая – для покрытия коньков и рёбер; разжелобочная – для покрытия разжелобов; концевая – для замыкания рядов, специального назначения.[2]

Основные технические характеристики глиняной черепицы по ГОСТ 1808 – 71 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Номенклатура выпускаемой продукции

К керамической черепице предъявляются следующие требования: черепица должна быть правильной формы с гладкими поверхностями и ровными краями, без отбитостей, трещин и известковых включений. Допускаются искривления поверхности и рёбер черепицы не более чем на 3 мм; отбитие или смятие шипов допускается не более 1/3 высоты шипа; отклонения линейных размеров по длине должны составлять не более чем 5 мм, по ширине – не более 3 мм. Исключение составляет пазовая штампованная черепица.

Цвет черепицы должен быть однотонным, а структура черепицы в изломе однорядной. [4,5]

Таким образом, исходя из анализа сырьевых материалов для изготовления черепицы, в курсовой работе в качестве основных материалов применяются высокопластичные глины и кварцевый песок; выпускается плоская ленточная черепица.

 1.1 Показатели  керамических черепиц

По форме и по методу прессования черепица подразделяется на пазовую (штампованную или пресованную) и плоскую (ленточную); кроме того, для покрытия коньков кровли выпускается коньковая черепица. Кроме того, существует специальная черепица, которая используется не массово, а для каких-либо специальных нужд: торцевая, вентиляционная, подконьковая, фронтонная, вальмовая, Т-образная, Х-образная и т.д. На сегодняшний день насчитывается несколько десятков популярных моделей черепицы, которые объединяются в группы по каким-либо отличительным характеристикам. Например, черепица "Бобровый хвост", получившая свое название за специфическую удлиненную форму и округление на конце.

Натуральная черепица Toza Markovic коллекция Banat (бобровый хвост) отвечает требованиям стандарта морозоустойчивости SRPS EN 539-2 (устойчива к морозу в зоне В). Угол наклона должен составлять не менее 25°. Монтаж керамической черепицы Toza Markovic Banat производится как справа налево, так и снизу вверх. Каждый следующий ряд укладывается с передвижением за половину ширины черепицы. Шаг обрешетки должен составлять 290 мм, однако возможно осуществить укладку и при шаге 200 мм. Дополнительно закрепив черепицу шурупами, вы увеличите ее надежность.

Геометрические размеры

Размеры: 400x230 мм

Длина/ширина покрытия: 290-200x190 мм

Масса: 2,6 кг

Шаг обрешетки: 290-200 мм

Минимальный угол наклона кровли: 25°

Расход: 18,2 шт. при шаге обрешетки 290 мм

Расход: 26,3 шт. при шаге обрешетки 200 мм

Цвет: коричневый

Для производства керамической черепицы используется исключительно 100%-й натуральный материал - глина. Сырье, подходящее для производства керамической черепицы, должно иметь определенный состав и свойства, которые обеспечивают качество конечного изделия.

2. Характеристика

Натуральная черепица имеет отличные практические характеристики, которые благоприятно применяются в наших условиях. Физические и механические свойства керамической и цементно-песчаной черепицы похожи.

Таблица 2- Характеристика черепицы

Для перекрытия ребер и конька крыши промышленностью выпускаются готовые желобчатые элементы. Черепица по характеру соединения бывает:

— простой, у которой за желоб цепляется только одно ребро;

— сложной, зацепление у которой происходит двумя и более ребрами.

По форме изготовления черепица бывает следующих видов:

— ленточная с загнутым краем;

— ленточная с двойным загнутым краем, представленная двумя типами, такими как «бобровый хвост» и «противень».

У каждой черепицы с тыльной стороны есть ушко или иное приспособление, с помощью которого осуществляется ее крепление к обрешетке.

Выполненная на современном оборудовании, такая керамическая черепица для крыши дома экологически чиста, чрезвычайно долговечна (срок ее службы больше 100 лет) и к тому же обладает высокой декоративностью. Она имеет акриловое покрытие, которое, помимо высокой декоративности, отличается еще и прекрасными защитными свойствами: водонепроницаемостью и морозоустойчивостью.

Выпускается цементно-песчаная черепица различных цветов. Окрашивают ее двумя способами. Первый способ подразумевает введение красящего пигмента в черепицу в процессе ее производства. При втором способе обрабатывают поверхность уже готовой черепицы — напыляют на нее полимерную эмульсию или цветной цементный состав.

Иногда поверхность черепицы для кровли крыши посыпают гранулянтом цветного песка. В большинстве случаев окрашивание производится в красный и коричневый цвета.

Черепица делится на альпийскую, венскую и римскую. Первая выпускается плоской, а черепица последних двух типов имеет объемную форму.

Срок эксплуатации бетонной черепицы значительно меньше, чем керамической. Достоинствами ее являются легкость исполнения и небольшой вес.

Достоинства:

• Классический кровельный материал, который используется во всей Европе;
• Поврежденные черепицы легко можно заменить;
• Долгий срок эксплуатации (около 100 лет);
• Низкая теплопроводность – летом сохраняет прохладу, зимой – тепло.
• Низкая шумопроводность – капли дождя и града не создают звуков при попадании на эту кровлю.

Конструктивные достоинства черепицы

Несмотря на классический дизайн профилей, черепица АВС Klinker имеет современную конструкцию замка – двойной фальц обеспечивает особо надежный контакт плиток. Фальцевая черепица хороша тем, что она обеспечивает более надежную гидроизоляцию подкровельного пространства, даже в самых неблагоприятных условиях вода не имеет возможности попасть под кровельное покрытие.

Недостатки керамической черепицы

Недостатки:

• Значительная масса – этот параметр нужно учесть при проектировании стропил и балок, а также при необходимости усилить фундамент.
• Дороговизна – натуральная черепица является одним из самых дорогих покрытий, как по цене материала, так и по монтажу.

К немногим недостаткам керамической черепицы относят ее вес (1кв. м. черепицы марки TG 10 весит 37 кг). Поэтому бытует мнение, что из-за большего веса, чем у других кровельных материалов, для керамической черепицы необходимо значительно менять всю конструкцию дома, в частности укреплять фундамент и стропильную систему.

На самом деле, по существующим строительным нормам и правилам, кровельная конструкция должна выдерживать нагрузку от 180 до 250 кг/кв.м. (в зависимости от величины суммарной предполагаемой снеговой и ветровой нагрузок). Поэтому расчеты показывают, что для клинкерной кровли, необходимо укрепление стропил всего лишь на 5-10 %. Клинкерная черепица известна своим долгим сроком службы, в среднем это 100 лет, а не 5 или даже 20. Как правило, грамотно смонтированная клинкерная черепица служит столько же, сколько сам дом.

 1.3 Область применения

Как уже говорилось ранее, натуральная черепица является достаточно дорогим кровельным материалом, поэтому чаще всего она используется в частном жилищном строительстве. Однако из-за ее исключительных эксплуатационных свойств в Европе ее достаточно часто используют для кровли культовых сооружений.

Для устройства мансардных помещений в конструкции крыши (помимо теплоизоляции и пароизоляции) обязательно должен применяться специальный гидроизоляционный слой. Соответствующие материалы (кровельные пленки, пергамин, битумные материалы и т.п.) кладутся на стропила. Над ними устраивается контробрешетка (для обеспечения вентиляционного зазора), на которую крепятся брусья обрешетки, а на них уже укладывается сама черепица.

Черепицу, как правило, применяют только на крышах с уклоном от 22° до 60°. Уменьшение угла (от 10° до 22°) допускается в исключительных случаях и требует применения дополнительных мер по гидроизоляции и вентиляции. При угле уклона крыши более 60° , необходимо уделять особое внимание дополнительному креплению черепицы к обрешетке (шурупами или кляммерами).

Черепица изготовляется из легкоплавких пластичных глин, в качестве добавок могут использоваться различные виды песка. Черепица отличается разнообразием цветовой гаммы. Например, при отсутствии химических добавок изделия имеют естественный терракотовый цвет. Медно-красные и тёмно-серые тона создаются при нанесениии покрытий из специальных составов на поверхность высушенных черепиц перд обжигом.

Основным материалом для производства керамической черепицы является глинистое сырьё, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками – отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др.

Глинистое сырьё (глины и каолины) – продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород. Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня.

Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определённое содержание пылевидных частиц с размерами зёрен 0,005 – 0,16 мм и песчаных частиц с размерами зёрен 0,16 – 2 мм.

Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, даёт легко формуемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объёму. Этот процессназывается воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, умереннопластичные, малопластичные и непластичные. Высокопластичные глины имеют в своём составе до 80 – 90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28%, воздушную усадку 10 – 15%.

Средне- и умереннопластичные глины имеют в своём составе 30 – 60% глинистых частиц, число пластичности 15 – 25, водопотребность 20 – 28% и воздушную усадку 7 – 10%. Малопластичные глины имеют в своём составе от 5 до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7 – 15 и воздушную усадку 5 – 7%. Непластичные глины не образуют пластичное удобоформуемое тесто.

Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют «жирными», отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют «отощающие» добавки. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10 – 15% - «тощие» глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например, бентонитовую глину.

Гранулометрический состав глин тесно связан с минералогическим составом. Песчаные и пылевидные фракции представлены главным образом в виде остатков первичных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.). Глинистые частицы в большинстве своём состоят из вторичных минералов: каолинита Al2O3·2SiO2·2H2O, монтмориллонита Al2O3·4SiO2·4H2O, гидрослюдистых и их смесей в различных сочетания.

Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью, малопластичны и малочувствительны к сушке.

Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривлений изделий и растрескивания.  Высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. Содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85 – 90%. Образцы с преобладанием в глинистой части гидрослюдистых минералов характеризуются помежуточными показателями пластичности, усадки и чувствительности к сушке.

Химический состав глин выражается содержанием и соотношение различных оксидов. В керамическом сырье содержание важнейших оксидов колеблется в широких пределах: SiO2 – 40-80%, Al2O3 – 8-50%, Fe2O3 – 0-15%, CaO – 0.5-25%, MgO – 0-4%. С увеличением содержания Al2O3 повышается пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания SiO2 – пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожжённых изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсного известняка – придаёт светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а камневидные включения его являются причинами появления «дутиков» и трещин в керамичеких изделиях. Оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O) являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности. Наличие в глинистом сырье растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности изделий. [5]

В настоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьём для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения.

Отощающие добавки – вводят в пластичные глины для уменьшения осадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок.

Порообразующие добавки – вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими.

Плавни – вводят с целью снижения температуры обжига керамических изделий. К ним относятся полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

Пластифицирующие добавки вводят с целью повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

Специальные добавки – для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом; для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).[6]

Таким образом, для производства керамической черепицы будем использовать высокопластичные «жирные» глины (с содержанием глинистых вешеств более 60%) с добавлением в качестве отощающей добавки кварцевого песка для предотвращения появления в изделиях трещин.

Таблица 3 – Исходные сырьевые материалы

2.2  Выбор и обоснование технологической схемы производства

В настоящее время для производства керамической черепицы применяются следующие технологии: пластическое формование, метод полусухого прессования, жёсткое формование, шликерный способ.

Способ производства черепицы определяется способом приготовления массы и способом формования. Рассмотрим основные из них.

Пластический способ – исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических материалов является наиболее простым, наименее металлоёмким и поэтому наиболее распространённым. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умереннопластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.

Полусухой способ производства распространён меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты влажностью 8 – 12% при давлениях 15 – 40 Мпа. Недостаток способа в том, что его металлоёмкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но в то же время он имеет и существенные преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства – золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1 – 3 мм.

Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах.

Сухой способ производства керамической черепицы является разновидностью современного развития полусухого производства изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2 – 6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить массу для изготовления изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. [14]

В курсовой работе для производства керамической черепицы применяем жёсткий способ. Жёсткий способ формования является современной разновидностью пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. Вакуум-пресс создаёт давление прессования до 20 МПа. В связи с тем, что жёсткое формование осуществляется при относительно высоких 10 – 20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия-сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при жёстком способе завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах.

2.3. Описание технологической схемы

Рисунок 2-Технологическая схема производства керамической черепицы

Технологическая схема производства керамической черепицы жёстким способом представлена на рисунке 2.

Глину для производства керамической черепицы добывают в карьерах, расположенных обычно внепосредственной близости от завода. Глины обычно залегают на небольшой глубине при мощности вскрыши 0,5 – 1,0 м. Мощность полезной толщины месторождений колеблется от одного до десятков метров. Добычу глин осуществляют открытым способом различными экскаваторами: одно- и многоковшовыми, роторными и реже скреперами. Методы добычи и оборудование для разработки месторождений выбирают в зависимости от мощности глиняного пласта, характера его залегания и других факторов. Транспортируют глину из карьера на завод рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках.

Для бесперебойной работы производства на заводе керамической черепицы должен быть определённый запас сырья. С этой целью на заводах создают склады для промежуточного запаса сырья. Добыча глины зимой, а также предохранение её от смерзания при транспортировании сильно усложняют производство, поэтому стремятся осуществить добычу в тёплое время года и создавать запасы глины на складах завода для работы зимой.

Добытая в карьере и доставленная на завод глина в естественном состоянии обычно непригодна для формования изделий и нужно разрушить природную структуру глины, удалить из неё вредные примеси, измельчить крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить её, чтобы получить удобоформуемую массу.

Глина подвергается последовательно грубому дроблению и тонкому измельчению. Первичное дробление глины осуществляют в глинорыхлителе, который представляет собой самоходную тележку, совершающую возвратно-поступательное движение над ящичным подавателем. Рабочим органом глинорыхлителя является вращающийся вал с насаженными на него фрезами. Дробление глины до кусков размером 10 – 15 мм осуществляют в дробилках. Вязкие пластичные глины дробят на гладких дифференциальных вальцах грубого помола.

Измельчённые глину и отощающие добавки дозируют для предварительного перемешивания в двухвальный смеситель. При необходимости сюда подают также воду или пар.

Формование производится на прессе с вакуумированием и подогревом. Вакуумирование и подогрев массы при прессовании позволяет улучшить её формовочные свойства, увеличить прочность обожжённого изделия до 2-х раз. В корпусе пресса (рисунок 3) вращается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывной ленты под давлением. Меняя мундштук, можно получать глиняный брус различных форм и размеров. Брус, непрерывно выходящий из пресса, разрезает на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий автоматическое резательное устройство. Пресс снабжён вакуум-камерой, в которой из глиняной массы частично удаляется воздух.

Рисунок 3 - Ленточный вакуумный пресс

1 -шнековый вал; 2 - прессовая головка; 3- мундштук; 4- глиняный брус; 5 - крыльчатка; 6 -вакуум-камера; 7 - решетка; 8- глиномялка

Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5 – 6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Применяется искусственная сушка в камерных сушилках периодического действия 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 – 1500С.

Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамической черепицы. Этот процесс включает в себя три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. При нагреве сырца до 1200С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале от 4500С до 6000С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 8000С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твёрдой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до 10000С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al2O3·SiO2, а при нагреве до 12000С и муллита 3Al2O3·2SiO2. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом (огневой усадке). В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Интервал температур обжига для керамической черепицы лежит в пределах от 11000С до 13000С.

Обжиг керамической черепицы осуществляется в туннельных печах. Туннельная печь представляет собой сквозной канал длиной до 100 м, в котором по рельсам движутся вагонетки с обжигаемыми изделиями. В туннельной печи совершаются операции загрузки, подогрева, обжига, охлаждения, выгрузки.

Высушенную черепицу загружают на вагонетки с подом из огнеупорного кирпича. Толкатель подаёт загруженную вагонетку в печь, выталкивая при этом с противоположного конца вагонетку с обожжённой и охлаждённой черепицей. Туннельные печи работают на газе или тонкомолотом угле. В этих печах удобно механизировать процессы загрузки и выгрузки продукции, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование.