Керамические  материалы

1. Общие сведения о керамических материалах и их классификация.

Керамика – материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений.

Керамические  строительные материалы – это искусственные каменные изделия, получаемые из глиняных масс с добавками или без добавок других материалов путем формования и последующего обжига. Керамические материалы – самые древние из искусственных каменных материалов.

Они характеризуются  достаточно высокими показателями физико-технических  свойств, водо-, термо- и кислотостойкостью, выдерживают 15 – 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых изменений структуры. Эти свойства обусловливают высокую долговечность керамических изделий и сравнительно низкий уровень затрат при эксплуатации зданий и сооружений.

Вместе с  тем керамические материалы имеют  и определенные недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, длительный технологический цикл изготовления (3 – 4 суток) и др. Однако большие  запасы повсеместно растраченного  сырья, сравнительная простота технологии, высокая прочность и долговечность  керамических материалов, многовековой опыт производства ставят их на одно из первых мест среди других строительных материалов.

Материал (т.е. тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики именуют  керамическим черепком.

Строительные  керамические изделия классифицируют по структуре керамического черепка и по их конструктивному назначению в отдельных элементах зданий и сооружений.

По структуре  черепка различают изделия с  пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тонкой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5%, обычно такой черепок пропускает воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5%; как правило, он водонепроницаем.

У изделий  грубой керамики черепок имеет в  изломе зернистое строение (макронеоднородный). Большинство строительных керамических изделий — строительный кирпич, черепица, канализационные трубы и др. — являются изделиями грубой керамики.

У изделий  тонкой керамики излом черепка имеет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором.

По конструктивному  назначению различают следующие  группы керамических строительных материалов и изделий:

стеновые изделия—кирпич, керамические камни и панели из них;

фасадные изделия—лицевой кирпич, различного рода плитки; архитектура-художественные детали, наборные панно;

изделия для  внутренней облицовки стен—глазурованные плитки и фасонные детали к ним (карнизы, уголки, пояски);

плитки для  облицовки пола;

изделия для  перекрытий (балки, панели, специальные  камни);

кровельные  изделия—черепица;

санитарно-строительные изделия—умывальные столы, унитазы, ванны;

дорожные изделия—клинкерный кирпич;

изделия для  подземных коммуникаций — канализационные  и дренажные трубы;

теплоизоляционные изделия (керамзитокерамические панели, ячеистая керамика, диатомитовые и шамотные легковесные изделия);

заполнители бетонов (керамзит, аглопорит).

2. Производство керамических материалов и изделий.

Несмотря на то, что керамические материалы и  изделия отличаются большим разнообразием  по назначению, форме и физико-механическим свойствам, производство их примерно одинаково  и состоит из следующих основных процессов: добычи глины в карьерах; подготовки массы; формования изделий  из приготовленной массы; сушки сформованных изделий; обжига предварительно высушенных изделий.

Подготовка  массы. Заключается в обогащении, дроблении, тонком помоле материалов, увлажнении и перемешивании массы. Подготовленные материалы керамической массы тщательно смешивают. Различают три способа приготовления керамической массы: пластический, полусухой и шликерный.

Пластический  способ формования керамической массы более приемлем при использовании глин с повышенной влажностью (18-23%), хорошо размокаемых в воде. Таким способом получают обыкновенный кирпич, пустотелые изделия, трубы и т. д. Пластическое формование при производстве черепицы, электроизоляторов, капселей осуществляют способом штамповки в гипсовых и металлических формах.

Полусухой способ прессования применяется при плотной структуре глиняного сырья и низкой исходной влажности (8-12%). Из полусухих порошкообразных масс изделия формуют на прессах высокого давления (10-30 МПа и более). Изделия, спрессованные из порошков, обладают в сырце большой прочностью и точностью размеров, а также характеризуются низкой усадкой при обжиге. Из порошкообразных масс изготовляют обыкновенный пустотелый кирпич, керамические камни и плитки.

Шликерный способ применяется в тех случаях, когда необходимо достигнуть особо тщательного смешивания исходных компонентов (фарфоро-фаянсовое производство, облицовочные плитки) при их влажности 30-35%. Шликеры применяют для облицовки сложных по конфигурации и тонкостенных изделий (санитарно-техническая, декоративная, химически стойкая керамика и др.). Этот метод формования основан на свойстве гипсовых форм впитывать в себя часть воды из залитого в них шликера. Отдавая влагу, изделия дают усадку и легко отделяются от форм.

Изделия, отформованные  пластическим и шликерным способами, необходимо сушить. При полусухом способе формования изделия имеют незначительную влажность, которая при обжиге не вызывает растрескивания, поэтому необходимость в сушке отпадает.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанный с испарением влаги с поверхности изделия, перемещением влаги из его внутренней части к поверхности и теплообменом между материалом и окружающей средой. Длительность сушки во многом зависит от скорости перемещения влаги в изделиях от внутренних к наружным слоям, а последнее определяется размерами капилляров и вязкостью воды. 

Существуют  два способа сушки: естественная и искусственная. 

Для естественной сушки изделий используют сушильные  сараи (навесы), в которых на ровном, хорошо уплотненном поле или на стеллажах  устанавливают сырые изделия. Длительность сушки зависит от температуры, влажности  и подвижности наружного воздуха  и климатических условий района и составляет 6-15 сут.

Поскольку естественная сушка характеризуется сезонным циклом производства, в настоящее  время даже на небольших предприятиях применяют искусственную сушку  в сушилках периодического или непрерывного действия. В качестве источника тепла используют газы обжиговых печей или горячий воздух. 

Дополнительные  расходы на искусственную сушку  изделий полностью окупаются  резким сокращением цикла производства, когда срок сушки изделий в  искусственных сушилках не превышает 70 часов (а в большинстве случаев он значительно меньше).

Обжиг изделий — важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырых изделий, собственно обжиг и регулируемое охлаждение изделий. В первом периоде из обжигаемых изделий удаляется гигроскопическая и гидратная вода, частично разлагаются карбонаты, сгорают органические примеси и равномерно прогревается вся масса изделия. В начале нагревания при 100-120°С удаляется физически связанная вода, в температурном интервале 450-650°С — химически связанная вода, причем глинистые минералы разрушаются, и глина переходит в аморфное состояние. Дальнейшее повышение температуры обжига приводит к расплавлению части материала, в результате чего происходит спекание массы и образование керамического черепка. Этому процессу соответствует температура 800-1000°С для легкоплавких глин и 1150-1200°С для тугоплавких. Температурный режим и длительность обжига зависят от состава шихты. При повышении температуры обжига получают изделия с большей механической прочностью, однако чрезмерное повышение температуры может вызвать деформацию изделий.

После обжига изделия охлаждают. Процесс охлаждения весьма ответственный, при этом недопустим резкий перепад температур и доступ холодного воздуха, так как это  влечет за собой образование трещин. В начальной стадии температуру  снижают медленно, и лишь после  достижения 650°С процесс охлаждения можно ускорить.

Сортировка  и хранение керамических изделий. При выгрузке из печи керамические изделия сортируют. Качество изделий устанавливают по степени обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в них различных дефектов. По степени обжига они могут быть разделены на изделия нормального обжига, недожог и пережог. Сортность изделий устанавливают по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в соответствии с требованиями ГОСТ. После сортировки изделия направляют на склад, где хранят до отправки на строительство. Кирпич и керамические камни укладывают в елочные пакеты или на поддоны и хранят на открытых площадках. Облицовочные плитки рассортировывают по цветам и размерам, упаковывают в ящики и хранят в закрытых складах. Санитарно-технические изделия, прошедшие сортировку и комплектование арматурой, упаковывают в специальные ящики и хранят в закрытых складах.

3. Стеновые керамические материалы и изделия.

Наибольшего развития достигли стеновые материалы, причем наряду с общим увеличением объема производства особое внимание обращено на увеличение выпуска эффективных изделий (пустотелый кирпич и камни, керамические блоки и панели и т.д.).

К стеновым керамическим изделиям относят глиняный строительный кирпич и керамические камни.

Согласно ГОСТ 530—71, кирпич глиняный обыкновенный представляет собой искусственный камень, имеющий форму параллелепипеда размером 250Х120Х65 мм, изготовленный из глины с добавками или без них и обожженный. Допускается также изготовление полуторного кирпича толщиной 88 мм с технологическими пустотами и массой не более 4 кг. Практически его изготовляют очень редко.

Все керамические изделия конструктивного назначения, имеющие размеры больше кирпича, называют керамическими камнями.

Кирпич является одним из наиболее древних искусственных строительных изделий. Его «возраст» составляет примерно 5000 лет, и до сего времени он продолжает сохранять значение одного из основных стеновых материалов. Его доля в общем балансе стеновых материалов составляет около 40%.

                                                                     Рис. 1. Виды керамических стеновых изделий

а — обыкновенный кирпич; б — дырчатый кирпич с круглыми пустотами; в—щелевой камень; г—готовый камень НИИСтройкерамики с ромбовидными пустотами для панелей;  д — щелевой камень ВНИИСТРОМа для панелей.

Допускаемые отклонения от размеров кирпича и  камней не должны превышать: по длине  ±4 мм, по ширине ±3 мм, по толщине: для  кирпича +3 и -- 2 мм, для камня ±3 мм.

Основные свойства керамических стеновых материалов -- механическая прочность, объемная масса и плотность, водопоглощение, морозостойкость -- регламентированы соответствующими стандартами. Эти свойства в значительной степени зависят от пористости и показателя плотности изделий.

Прочностью  материала называется его способность сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних сил (нагрузок).

Кирпич хорошо сопротивляется сжатию, хуже -- растяжению. Поэтому его применяют в конструкциях, работающих на сжатие.

Прочность кирпича характеризуется пределом прочности при сжатии и изгибе. Пределом прочности кирпича называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Объемной  массой называется масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Если кирпич или камни имеют специальные пустоты, то различают объемную массу брутто без вычета объема пустот и объемную массу нетто с вычетом пустот.

Объемную массу  брутто изделия вычисляют по его  внешним размерам и она зависит от количества пустот и объемной массы материала керамики.

Показатель  плотности материала -- это степень заполнения его объема твердым веществом, из которого состоит данный материал. Определяют показатель плотности материала С как отношение объемной массы к плотности материала. Плотность керамических стеновых материалов всегда меньше 100%' вследствие большего или меньшего количества пор. По плотности можно определить пористость материала.

Водопоглощение-- это способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при погружении и выдерживании в воде, отнесенным к массе сухого материала (массовое водопоглощение или к объему материала в сухом состоянии (объемное водопоглощение ).

Морозостойкость -- способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Морозостойкость характеризует срок службы материала.

Среди большой  группы стеновых керамических материалов и изделий имеются еще и стеновые кирпичные панели. Кирпичные панели наружных стен изготовляют двухслойными и однослойными толщиной 260 мм. Перспективны однослойные панели из укрупненных крупнопустотных или щелевых камней. Панели внутренних несущих стен выполняют однослойными из обыкновенного кирпича и армируют металлическими каркасами. Общая толщина панелей 140 мм, включая толщину кирпича 120 мм и два слоя раствора с каждой стороны по 10 мм.

Технологический процесс изготовления кирпичных  панелей состоит из следующих  основных операций: приготовления цементно-песчаного  раствора, изготовления арматурного  каркаса, формования панели, ее тепловлажностной обработки и отделки.

Готовые панели хранят на открытых складах в вертикальном положении, в таком же положении  их транспортируют панелевозами на строительную площадку.

Основные преимущества применения кирпичных панелей по сравнению с кладкой стен из штучного кирпича или керамических камней — возможность изготовления крупноразмерных  элементов в заводских условиях, монтаж их на строительной площадке при  помощи современных средств механизации, а также возможность значительной экономии стеновых материалов.

4. Облицовочные керамические материалы.

Плитки  для облицовки  стен

В зависимости  от используемого сырья плитки для  облицовки стен делят на два вида: майоликовые и фаянсовые.

Майоликовые облицовочные плитки изготавливают из легкоплавких глин с добавкой до 20% углекислого кальция в виде мела. При обжиге плиток получают пористый черепок, лицевую поверхность которого покрывают глазурью, а на тыльную сторону наносят бороздки для лучшего сцепления с поверхностью. Сырьевую массу для майоликовых плиток тщательно перемешивают. Формуют плитки на рычажном прессе, затем их сушат и обжигают; далее плитки покрывают глазурью и вторично обжигают. Слой глазури придает плиткам водонепроницаемость и высокие декоративные качества.

Глазури имеют  разный состав: они бывают прозрачные и непрозрачные (глухие), глянцевые  и матовые, белые и цветные, тугоплавкие  и легкоплавкие. Прозрачная глазурь  придаёт лицевой поверхности  плитки блеск, однако цвет её остаётся таким же, как цвет черепка, а непрозрачная (глухая) глазурь придаёт лицевой  поверхности плитки цвет, отличный от цвета черепка. Покрывать глазурью можно как предварительно обожженные изделия, так и сухой сырец. Лучшее качество глазури получают при нанесении её на обожжённые изделия.

Фаянсовые плитки изготавливают из огнеупорных глин с добавкой кварцевого песка и плавней - веществ, понижающих температуру плавления (обычно полевого шпата и известняка или мела). Плитки имеют белый или слабо окрашенный черепок, лицевая поверхность покрыта белой и окрашенной, прозрачной или глухой глазурью. Тыльной стороне облицовочных плиток придают рифлёную поверхность.

Плитки в  зависимости от формы бывают квадратные, прямоугольные и фасонные для  углов, облицовки карнизов и плинтусов.

К качеству плиток для внутренней облицовки стен предъявляют  высокие требования. Плитки должны иметь правильную геометрическую форму, чёткие грани и углы, не иметь  выпуклостей, выбоин и трещин, должны быть термически стойкими, т.е. будучи нагреты до температуры 100?С, а затем  помещены в воду с температурой 20?С, не должны иметь на глазурованной поверхности трещин, околов глазури и цека - сетки мелких трещин. Водопоглащение плиток не должно быть более 16%.

Сырьём для  изготовления плиток обычно служат массы  из пластичной глины, каолина, кварца и  полевого шпата.

Плитки  для полов

Плитка для  пола имеет прямоугольную, шестигранную, восьмигранную, треугольную длиной грани 50…150 мм и толщиной 10…13 мм), чёткие грани и углы, без выпуклостей, выбоин и трещин; высокую плотность, водопоглащение не более 4%; повышенное сопротивление истираемости (потери в массе при испытании плиток на истираемость не должны превышать 0,1 г/см2 для полов с повышенной истираемостью и 0,25 г/см2 для полов прочих помещений). Полы из керамических плиток водонепроницаемы, хорошо сопротивляются истирающим условиям, легко моются, долговечны, кислото- и щелочестойки.

Однако они  имеют и некоторые недостатки: большую теплопроводность, слабое сопротивление  удару, малые размеры. Плитки для  полов применяют в вестибюлях общественных зданий, банях, прачечных, санузлах, на предприятиях химической промышленности и т.д.

Материалы для облицовки  фасадов зданий

Для облицовки  фасадов зданий применяют лицевые  кирпич и камни, фасадные малогабаритные плитки и ковровую керамику.

Кирпич  и камни керамические лицевые

Кирпич и  камни керамические лицевые изготавливают из глин, трепелов и диатомитов методами пластического формирования или полусухого прессования с добавками или без них с нанесением фактурного слоя. По пределам прочности при сжатии и при изгибе, по форме, размерам, средней плотности, водопоглащению они должны соответствовать требованиям ГОСТов.

Эти материалы  являются не только художественно-декоративными  изделиями, но и укладываются вместе с кладкой стены и служат конструктивным несущим элементом наряду с обычным  кирпичом. Обычный цвет лицевого кирпича  от тёмно-красного до светло-красного. Технология производства лицевого кирпича аналогична производству обыкновенного керамического кирпича пластическим или полусухим способом. Кирпич и камни лицевые изготавливают сплошные и пустотелые. Лицевая поверхность кирпича и камней может быть гладкая, рифленая и офактуренная. Рифленое офактуривание поверхности производят путём обработки ещё влажного кирпича сырца специальными металлическими ершами, гребенками, рифлеными валиками.

Плитки  фасадные керамические

Их изготавливают  из беложгущихся или цветных глин. Изделия небольших размеров формируют из тощих (малопластичных) кирпичных глин. Во всех случаях в сырьё добавляют шамот. Подготовку глиняной массы производят по сухому способу: вначале сырьё высушивают, измельчают и увлажняют, после чего тщательно перемешивают до получения однородной массы. Наиболее простой способ изготовления облицовочных плиток - формование на ленточном вакуум-прессе. Облицовочные плитки изготавливают также и полусухим способом. При полусухом способе сушка исключается, изделия после формования идут на обжиг. Обожженные изделия сортируют по типу и цвету и хранят в штабелях на деревянных подкладках, защищая их от загрязнения и увлажнения.

В настоящее  время фасадные плиты выпускают  в ограниченном количестве, так как  они сложны в изготовлении, громоздки  и требуют высококачественного  сырья.

Фасадные малогабаритные плитки выпускают разных размеров и  назначения. Такие плитки выпускают из беложгущихся глин неглазурованные и глазурованные и применяют как для облицовки панелей, будучи наклеенными на бумагу (в виде ковров), так и для облицовки готовых фасадных поверхностей. Фасадная облицовка в виде коров, набранных из боя некондиционных глазурованных и неглазурованных плиток (брекчия), придаёт своеобразный облик отделываемым ею зданиям.

Цокольные глазурованные  плитки размером 150Ч75Ч7 мм являются изделиями  штучного прислонного крепления (в виде наборных ковров их не выпускают). Эти плитки изготовляют со спекшимся черепком и покрывают прозрачной или глухой глазурью. Такие плитки применяют преимущественно для фасадной облицовки цоколей зданий и подземных переходов.

Ковровая  керамика глазурованная  и неглазурованная

Ковровая керамика глазурованная и неглазурованная представляет собой мелкоразмерные тонкостенные плитки различного цвета, наклеиваемые в виде ковров на бумажную основу. Плитки могут быть изготовлены различных цветов, блестящими и матовыми, покрыты прозрачными или глухими глазурями; их выпускают 32 типоразмеров, квадратной, прямоугольной, треугольной, ромбической и трапециевидной формы со стороной 25…125 мм, массой 1 м2 плитки 4,5 кг.

Плитки ковровой керамики должны удовлетворят следующим  требованиям: водопоглащение - не менее 6 и не более 12%, морозостойкость - 25 циклов, масса 1 м2 плиток в зависимости от толщины - 6…8 кг, лицевая поверхность - гладкая, без трещин, зазубрин и расслоений. Набор ковров производят как из одноцветных, так и разноцветных плиток, с относительным сопротивлением продавливанию не менее 0,3 МПа, наклеенных на крафт-оберточную бумагу клеем, обеспечивающим прочность приклейки. После облицовки клей должен легко смываться.

Плитки ковровой керамики применяют для облицовки  крупных блоков и панелей, стен вестибюлей и лестничных клеток жилых и общественных зданий.

5. Керамические материалы и изделия специального назначения.

1. Кровельные керамические изделия

Керамическая  черепица - один из старейших, долговечных  и огнестойких кровельных материалов. Выпускают черепицу пазовую ленточную, пазовую штампованную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, s-образную ленточную  и коньковую желобчатую. Обжигают черепицу при 950 - 1000 С. Она должна выдерживать  не менее 25 циклов попеременного замораживания  и оттаивания в насыщенном водой  состоянии.

Черепица как  кровельный материал прочна и огнестойка. Кровля из нее не требует частых ремонтов. Недостатки черепичной кровли — большая ее масса, необходимость  устройства значительных уклонов для  стока воды, а также большая  трудоемкость возведения. Черепицу применяют  в малоэтажном сельском строительстве.

2. Дренажные и канализационные трубы

Дренажные трубы изготовляют из кирпичных высокопластичных глин. Применяют трубы при мелиоративных работах, а также при осушении грунтового основания под зданиями и сооружениями.

Канализационные трубы изготовляют из пластичных огнеупорных или тугоплавких глин.

3. Дорожный кирпич (клинкер) выпускают размером 220х110x65 мм и применяют в дорожном строительстве, а также для облицовки набережных, канализационных коллекторов, мостовых опор, для устройства полов промышленных зданий. Его получают из тугоплавких глин путем обработки, формования, сушки и обжига до спекания, но без остекленения поверхности. Марки кирпича 1000, 600, 400; морозостойкость соответственно не менее 100, 50, 30 циклов; водопоглощение соответственно не более 2; 4; 6% и сопротивление истиранию 14-18 г/см2.

4. Санитарно-технические изделия

Ванны, раковины и другое оборудование санитарно-технических  узлов жилых и производственных помещений изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора. Сырьем для  производства этих трех разновидностей керамических материалов, обладающих различной пористостью являются беложгущиеся глины, каолины, кварц и полевой шпат.

Фарфором  называют плотный керамический материал с черепком белого цвета, получаемый обжигом сырьевой смеси, в состав которой входит огнеупорная глина, каолин, полевой шпат, кварц и фарфоровый бой.

Фаянсом называют керамические материалы с мелкопористым черепком обычно белого цвета, для получения которых применяют те же, что и для фарфора, сырьевые материалы, но другой рецептуры.

Из фаянса преимущественно методом литья  изготовляют унитазы, умывальники, сливные бачки и др. Для производства крупных изделий (ванн, моек и т.д.) используют шамотный фаянс, в который  вместо кварца вводят шамот (10 - 15 %). Водопоглошение фаянса 10 - 12 %. Поверхность фаянсовых изделий покрывают лазурью, что придает им водонепроницаемость.

Фарфор отличается от фаянса большей плотностью и прочностью.

Полуфарфор  по своим свойствам занимает промежуточное  положение между фаянсом и  фарфором.

Санитарно-технические  керамические изделия обычно получают путем литья жидкой массы (шликера) в формы с последующим высушиванием и обжигом изделий. Обжиг может быть одноразовый и двухразовый. Для придания санитарно-техническим изделиям водонепроницаемости и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный состав наносят на отформованные изделия после сушки или первого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает изделие тонкой блестящей пленкой.

5.Кислотноупорные керамические материалы

Кислотоупорные  керамические материалы могут длительное время противостоять действию жидких коррозионных сред. Их используют для  устройства полов, трубопроводов, газоходов, футеровки аппаратов на химических предприятиях. Характерная особенность  таких материалов — небольшая  пористость и соответственно низкое водопоглощение. Промышленность выпускает кислотоупорные кирпичи, плитки, трубы и фасонные изделия.