Керамические материалы

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение………………………………………………………………………...3

2. Сырьевые материалы…………………………………………………………..5

3. Технология  производства изучаемого материала…………………………...9

4. Свойства изучаемого  материала……………………………………………..15

5. Применение  материала в архитектуре и реставрационной практике……..20

Список использованной литературы………………………………...…………23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Керамическими называют искусственные каменные материалы  и изделия, полученные в процессе технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких температурах. Название «керамика» происходит от греческого слова «keramos» - глина. Поэтому под технологией керамики всегда подразумевали производство материалов и изделий из глинистого сырья и смесей его с органическими и минеральными добавками. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком.

     Глины всегда в истории человечества были и являются одним из основных видов  строительных материалов. В начале-8000 лет до н.э. –глины применялись в необожженном виде для глинобитного строительства и изготовления саманного и сырцового кирпича. 3500 лет до н.э. отмечается начало применения керамического кирпича, а 1000 лет до н.э. – глазурованного кирпича и черепицы. С середины первого тысячелетия в Китае начинается производство изделий из фарфора. В России первый кирпичный завод был построен в Москве в 1475 г., а в 1744 году в Петербурге начал работать первый фарфоровый завод. В конце 18-середине 19в. Бурное развитие металлургической. химической и электротехнической промышленности привело к развитию производства огнеупорной, кислотоупорной, электроизоляционной керамики и плиток для полов. С начала текущего столетия получило развитие производство эффективного кирпича и пустотелых камней для возведения стен и перекрытий, а также керамических плиток для внутренней и наружной отделки и санитарно-технических изделий. В последнее время получило распространение производство специальной керамики с уникальными свойствами для нужд ядерной энергетики, машиностроения, электронной, ракетной и других отраслей промышленности. Большой практический интерес имеют керметы, состоящие из металлической и керамической частей.

     В понятие керамические материалы  и изделия входит широкий круг материалов с различными свойствами.

     Их  классифицируют по ряду признаков.

     По  назначению керамические изделия подразделяют на следующие виды: стеновые, отделочные, кровельные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно- технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные и заполнители для бетонов.

     По  структуре различают керамические изделия с пористым и спекшимся (плотным) черепком.  Пористыми считают  изделия с водопоглощением по массе более 5%. К ним относятся  изделия как грубой (керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы), так и тонкой (облицовочные плитки, фаянсовые) керамики. К плотным относят изделия с водопоглощением по масссе менее 5%. К ним принадлежат также изделия и грубой (клинкерный кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты), и тонкой (фаянс, полуфарфор, фарфор) керамики.

     По  температуре плавления керамические материалы и изделия подразделяются на легкоплавкие ( с температурой плавления  ниже 1350̊C), тугоплавкие ( с температурой плавления 1350̊С-1580̊С), огнеупорные (1580̊С-2000̊С), высшей огнеупорности (более 2000̊С).

     Возможность получения любых заданных свойств. Широкая номенклатура, большие запасы повсеместно распространенного  сырья, сравнительная простота технологии, высокая долговечность и экологическая  безвредность керамических материалов обеспечивают им одно из первых мест по значимости и объемам производства средидругих строительных материалов. Так выпуск строительного кирпича составляет около половины объема всех стеновых материалов. 

1. Сырьевые  материалы

      Основным  сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий  является глинистое сырье, применяемое  в чистом виде, а чаще в смеси  с добавками – отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др.

      Глинистое сырье

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

      Помимо  глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 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, дает легко формуемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинястых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, умеренно –пластичные, малопластичные и непластичные. Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80-90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10-15%. Средне- и умеренно-пластичные глины имеют в своем составе 30-60% глинистых частиц, число пластичности 15-25, водопотребность 20-28% и воздушную усадку 7-10%. Малопластичные глины имеют в своем составе от 5% до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7-15 и воздушную усадку 5-7%. Непластичные глины не образуют пластичное удобоформируемое тесто.

      Глины с содержанием глинистых частиц более60% 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.

      Различное сочетание химического, минералогического  и гранулометрического состава компонентов обуславливает различные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения.

      Гранулометрический  состав глин тесно связан с минералогическим составом. Песчаные и пылевидные фракции представлены главным образом в виде остатков первичных минералов (кварца, пылевого шпата, слюды и др.). Глинистые частицы в большинстве своем состоят из вторчных минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюдистых и их смесей в различных сочетаниях.

      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, при формовке склонны к свилеобразованию, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривления изделий и растрескивания. Высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентомитами. Содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90%. Образцы с преоюладанием в глинистой части гидрослюдистых минералов характеризуются промежуточными показателями пластичности, усадки и чувствительности к сушке.

      Химический  состав глин выражается содержанием и соотношением различных оксидов. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсного известняка придает светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а камневидные включения его являются причинами появления «дутиков» и трещин в керамических изделиях. Оксиды щелочных металлов 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.

      Для изготовления отдельных видов огнеупорных  теплоизоляционных изделий применяют  глинистое сырье из трепелов и  диатомитов, состоящие в основном из аморфного кремнезема, а для  производства легких заполнителей используют перлит, пемзу, вермикулит.

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

      Добавки к глинам

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

      Порообразующие  добавки. Их 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. Их вводят с целью снижения стемпературы обжига керамических изделий. К ним относят: полевые пшаты,железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

      Пластифицирующие  добавки. Их 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.). 
 

      Глазури и ангобы

      Некоторые виды керамических изделий для повышения  санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем – глазурью и ангобом.

      Глазурь- стекловидное покрытие толщиной 0,1-0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими различного цвета. Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом.

      Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

2. Технология производства изучаемого материала.

      При всем многообразии керамических изделий  по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

      Добыча  глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород не пригодных для производства.

      Подготовка  глин и формование изделий

      Карьерная глина в естественном состоянии  обычно не пригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесообразно вести сочетанием естественной и механической обработки. Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей,измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специализированных машин (глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др.).

      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