Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Строительная керамика. 2

ВВЕДЕНИЕ

Строительная керамика – большая группа керамических изделий, применяющихся при строительстве жилых и промышленных зданий и сооружений. Керамические стеновые изделия – один из наиболее древних искусственных материалов, их возраст около 5 тыс. лет. Они отличаются своей долговечностью, высокими художественными характеристиками, и полным отсутствием токсичности. Применение глины для изготовления посуды и других керамических изделий было известно уже в глубокой древности, за несколько тысяч лет до нашей эры. Ассирийцы и египтяне уже были знакомы с обжигом керамических изделий и приготовлением цветной глазури. В древней Греции и Риме керамическое производство также было весьма развито. При археологических раскопках на территории Европы и Азии были найдены керамическая посуда, вазы, различные украшения, относящиеся к IV—V векам.

Производство строительной керамики является важной отраслью народного хозяйства. В последние десятилетия созданы механизированные заводы с объемом производства в 50-100 млн. штук в год, оснащены мощными глинообрабатывающими и формующими машинами, механизированными экономичными сушилками и печами. В настоящее время предусматривается преимущественное развитие производства изделий, обеспечивающих снижение металлоёмкости, стоимости и трудоёмкости строительства, веса зданий, сооружений и повышение их теплозащиты, развитие мощности по производству строительных материалов с использованием золы и шлаков тепловых электростанций, металлургических и фосфорных шлаков, отходов горнодобывающих отраслей промышленности и углеобогатительных фабрик, техническое перевооружение производства кирпича на базе новейшей техники.

АССОРТИМЕНТ, ТРЕБОВАНИЯ, ГОСТ

Строительный керамический кирпич является самым распространённым местным стеновым материалом, позволяющим экономить дефицитные металлы, цемент, а также транспортные средства.

Лицевыми керамическими изделиями называются такие, которые в стене выполняют одновременно конструктивные и декоративные функции; их также иногда относят к группе изделий, именуемой «конструктивной фасадной керамикой».Для зданий, возводимых из кирпича штучной кладкой, а также для кирпичных и керамических панелей лицевой кирпич является наиболее экономичным видом облицовки фасадов зданий.

Производство лицевого кирпича позволяет исключать оштукатуривание зданий и улучшать их архитектурный вид.

Улучшение качества продукции вызывает необходимость повышения культуры производства, более строгого соблюдения технологических параметров по всем переделам, улучшения обработки, рациональной шихтовки путём ввода различных добавок, в том числе отходов других отраслей промышленности.

Кирпич должен удовлетворять требованиям стандарта и изготовляться по технологическим регламентам, утверждённым в установленном порядке. Масса кирпича должна удовлетворять требованиям ГОСТ 22951-78.

Требования к лицевому кирпичу регламентированы ГОСТ 7484-55, который предусматривает четыре прочностных марки: 75, 100, 125 и 150.

Кирпич должен иметь прямые ребра и углы, ровные поверхности, четкий профиль без недожимов, сбоев и отколов. Отдельные кирпичи, составляющие общую архитектурную деталь, в кладке должны точно подходить друг к другу, составляя единое целое. Допускается отклонение в размерах: по длине ±4, по ширине ±3, по толщине ±2 мм; отклонения от формы параллелепипеда не более ±3 мм; отбитость и притупленность углов и ребер по длине и наибольшей глубине допускается не более чем у двух кирпичей. Цветные оттенки и несовпадение линий профиля допускается только в том случае, если они зрительно не воспринимаются при осмотре клетки кирпича с расстояния 10 м. трещины на кирпиче не допускаются.

Лицевой кирпич может быть прямой и профильный.

Формы и размеры отверстий для пустотелого лицевого кирпича определяются ГОСТ 6316-55. Некоторые заводы вырабатывают семи- и девятищелевой кирпич с такими же пустотами, как и в камнях.

Водопоглощение не должно быть ниже 6 и выше 12 % у лицевых изделий, изготовленных их светложгущихся глин, и 14% у изделий, изготовленных из прочных глин. Морозостойкость должна составлять не менее 25 циклов.

Лицевой кирпич вырабатывают с естественно окрашенным черепком фасадной поверхности (терракотовый), глазурованный и двухслойный. Цвет и характер обработки лицевых поверхностей обуславливают по утвержденным эталонам завода. Зарубежные заводы вырабатывают также лицевой кирпич, фасадная поверхность которого покрыта песчаными и другими зернистыми посыпками, спекающимися с поверхностью кирпича во время его обжига.^[1]

Недожог и пережог кирпича являются браком; поставка таких изделий потребителю не допускается.

Известковые включения (дутики), вызывающие после испытания разрушение изделий или отколы на их поверхности размером по наибольшему измерению от 5 до 10 мм в количестве более трёх, не допускаются.

Водопоглощение кирпича, высушенного до постоянной массы, должно быть для полнотелого кирпича не менее 8%.

ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ, ТИПОВЫЕ СОСТАВЫ

Основным сырьём для производства кирпича являются легкоплавкие глины - горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластическое тесто, превращающееся после обжига при 800- 1000⁰С в камнеподобный материал.

Наиболее ценной для производства кирпича является глинистая фракция, содержание которой не должно быть менее 20%.

Очень важно для характеристики глины содержание в ней глинозёма Аl₂O₃, повышающего технологические свойства сырья: в легкоплавких глинах оно колеблется в пределах от 10 до 15%.

Содержание кремнезёма SiO₂ колеблется в пределах от 60 до 75%. В глинах часть кремнезёма находится в связанном виде в глинообразующих минералах и в несвязанном виде как примесь, обладающая свойством отощающих материалов.

Кальций содержится в глинах в виде карбонатов и сульфатов, а магний - в виде доломита. В некоторых сортах глин наличие кальция и магния в пересчете на их окислы (CaO и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5-10%. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на спекаемость и прочность керамических изделий. При наличии в глинистых породах свыше 20% карбонатных примесей они не могут использоваться без соответствующей обработки или обогащения. Окислы железа, титана, марганца и других металлов содержатся в глинах в количестве до 10-12% и оказывают существенное влияние на целый ряд важнейших свойств керамических изделий. Наибольшее влияние оказывают окислы железа, находящиеся в глине в виде окиси Fe₂O₃ и гидроокиси Fe(OH)₃ _. Они улучшают спекаемость изделий и придают им окраску.

Калий и натрий входят в глины в виде щелочных оксидов, содержание которых находится в пределах 3,5-5%.

Органические вещества обычно содержатся в глинах в количестве от 5-10%. При обжиге изделий они выгорают, увеличивая пористость черепка. В зависимости от содержания в глине органических веществ, воды и карбонатов (CaCO₃, MgCO₃) находится показатель потерь при прокаливании.

Таблица 3.2.1

Примерный химический состав кирпичных глин, %.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O+K₂O
60-75	10-15	2-12	2-15	1-6	2-6

Глинообразующие минералы, определяющие основные свойства глин, представляют собой в основном гидросиликаты алюминия, содержащие кремнезем и оксиды железа, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли различных металлов.

Наиболее важным свойством глины является ее пластичность, т.е. способность при добавлении к ней воды образовывать тесто, которое под воздействием внешних усилий может принимать любую форму и сохранять ее после прекращений действия внешних усилий.

В качестве непластичных материалов применяют крупнозернистый песок, шлак, дегидратированную глину, шамот (бой изделий), в качестве выгорающих добавок – молотый уголь, торф и опилки. Также используют добавки, улучшающие природные свойства глины.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ

Весь процесс изготовления керамического лицевого кирпича можно разделить на такие этапы:

Подготовка сырья
Приготовление технологической смеси
Формование полуфабрикатов
Сушка
Обжиг

Подготовка сырья

Начиная с этапа подготовки сырья следует отметить, что гранулометричесий состав глинистых пород характеризуется значительным разнообразием по содержанию глинистой фракции с размером частиц менее 5мкм, пылеватой – от 5 до 50 мкм и песчаной – от 50 мкм до 2 мм. Соотношением между этими фракциями определяются пластичность глин, связность, усадка, чувствительность к сушке. Решающее значение при этом имеет глинистая фракция, поскольку частицы с размером менее 5 мкм составляют глинистое вещество.^[2]

Приготовление технологической смеси

При подготовке смеси необходимо обеспечить относительно точную дозировку компонентов и достаточную однородность смеси. Для этой цели применяют из пластическую переработку. При этом глины сушат до влажности 8-9% в сушильном барабане и затем размалывают. Полученные порошки дозируют и смешивают сначала всухую в двухвальных глиномялках, а затем во второй двухвальной глиномялке перерабатывают с добавкой воды до образования пластичного теста с влажностью 18-20%. При этом приходиться сушить и измельчать глину двукратно, однако одно сухое смешивание порошков не может обеспечить такой однородности смеси, которая достигается при пластической переработке, что делает ее обязательной для получения продукции с минимальным процентом брака.^[4]

Формование

Пластичность глин предопределяет наличие специфических деформационных свойств — малой вязкости и достаточно высокого предела текучести. Пригодность массы для формования оценивают соотношением отдельных видов деформаций.

Показателем формовочных свойств масс является соотношение между внешним и внутренним трением. Считают, что формование возможно, если внутреннее трение массы (когезия) больше, чем трение о формующий орган машины (аутогезия). Для оценки формовочных свойств используют коэффициенты внутреннего трения и сцепления массы.

Основные свойства пластичной формовочной массы зависят от минерального состава, формы и размеров частиц твердой фазы, вида и количества временной технологической связки, интенсивности образования гидратных слоев на поверхностях частиц. С увеличением содержания жидкой фазы коэффициент внутреннего трения растет, проходя через максимум. Другие показатели уменьшаются монотонно, но с разной интенсивностью. Это позволяет для каждой массы выбрать оптимальное значение формовочной влажности. Лучшие формовочные свойства имеет масса с максимально развитыми слоями физически связанной воды при минимальном содержании свободной воды в системе.

Возрастание дисперсности твердой фазы увеличивает количество контактов между частицами в единице объема и прочность. Одновременно растут оптимальная формовочная влажность, предел текучести, вязкость, модули деформации, коэффициент внутреннего трения и связность массы, повышается пластичность.

Чрезмерное повышение дисперсности увеличивает усадки в сушке и обжиге, поэтому оптимальный зерновой состав должен обеспечивать создание каркаса из сравнительно крупных зерен для повышения предела текучести и уменьшения усадок. Введение электролитов снижает формовочную влажность.

При производстве керамического кирпича используется два метода: метод полусухого прессования и метод пластического формования, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При наличии рыхлых глин и глин средней плотности с влажностью не выше 23-25% применяют пластический способ переработки глин; для слишком плотных глин, плохо поддающихся увлажнению и обработке с низкой карьерной влажностью (менее 14-16%) - полусухой способ переработки.

Метод полусухого прессования предусматривает предварительное высушивание сырья, последующее измельчение его в порошок, прессование сырца в пресс-формах при удельных давлениях, в десятки раз превышающих давление прессование на ленточных прессах. Преимущества технологии полусухого прессования заключается в том, что спрессованный кирпич-сырец укладывается непосредственно на печные вагонетки и на них высушивается в туннельных сушилках, или же, минуя предварительную досушку, непосредственно поступает на обжиг. Комплексная механизация производства осуществляется проще, чем при методе пластического формования. Однако технология полусухого прессования требует более совершенной системы аспирации на этапах приготовления и транспортирование порошка, использования более высокопроизводительных прессов.

Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. В отдельных случаях предел прочности при изгибе и морозостойкость таких изделий выше, чем у изделий, полученных способом полусухого прессования из того же сырья.

При переработке глин в сыром виде схема подготовки сырья несколько проще и экономичней, поскольку нужно меньше перерабатывающего оборудования, следовательно, меньше энергоемкость. Все оборудование более надежно и просто в обслуживании. Температура обжига изделий примерно на 50⁰С ниже, чем у изделий полусухого прессования, что позволяет также снизить энергозатраты на обжиг и в какой-то мере компенсируют высокие затраты на сушку.

Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток. Низкая прочность формованного сырца, особенно пустотелого, большая усадка материала при сушке и наличие отдельного процесса сушки затрудняет возможность механизации трудоемких операций при садке сырца на сушку, перекладке высушенного сырца для обжига и совмещения в одном агрегате процессов сушки и обжига.

Если используемая глина достаточно высокой влажности, среднепластичная, то целесообразно будет использовать схему производства изделий пластическим методом.

Пластическое формование осуществляют тремя способами:выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях механические напряжения не превышают 1—30 МПа, масса содержит 30—60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благодаря наличию предела текучести.

Важнейшей задачей при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной влажности.

Пластической прочностью называют механическое напряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности. В заводской практике формования на вакуумных прессах ведут обычно при влажности на 1—3% меньше. Чем сложнее форма изделия, тем при более высокой влажности проводят формование. Для его облегчения иногда в массы добавляют высокопластичные монтмориллонитовые глины.

Выдавливание является окончательной операцией формования изделий грубой строительной керамики (кирпич, канализационные трубы) и промежуточным этапом переработки пластичной тонкокерамической массы перед раскаткой и допрессовкой. Выдавливание может быть горизонтальным и вертикальным. Его осуществляют на шнековых вакуумных прессах, реже используют поршневые прессы. В шнековом прессе при движении массы возникает сложное объемно-напряженное состояние. Лопасти шнека сообщают массе поступательное и вращательное движение, а стенки корпуса пресса замедляют перемещение массы в прилегающим к ним слоям. По мере продвижения массы к головке пресса ее вращение замедляется, но периферийные слои движутся с большей скоростью. Окончательно уплотняет массу последний виток шнека. Он выжимает массу из цилиндра в головку пресса с различными по сечению скоростями, сообщая ей частичное вращение.

Сушка

Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйственной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием.

Если в процессе сушки замерять температуры материала и окружающей среды, то обнаруживается, что температура изделия ниже температуры воздуха. Следовательно, во время сушки поверхность твердого тела, имеющего относительно низкую температуру, соприкасается с газом, нагретым до более высокой температуры. Между ними происходит теплообмен. Поэтому процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений:

а) испарения влаги с поверхности материала;

б) внутренних перемещений (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной I средой.

Внешним показателем процесса сушки является изменение веса материала во времени. Графическое изображение зависимости влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также температурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

Режим сушки регулируют, изменяя температуру или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

Если сушку проводят при малых перепадах температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается от исходной w₀, а температура повышается до температуры мокрого термометра t_М. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность . Это период прогрева полуфабриката.

На втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре.

Обычно отформованные заготовки сушат до влажности 2-3%

Изменение размеров полуфабриката в сушке характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

Усадка зависит от влажности заготовки и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок пластического формования составляет 6-8%.

Обжиг

Процесс обжига изделий строительной керамики может быть условно разделен на четыре периода:

подогрев до 200°С и досушка-удаление физической воды из глины;
дальнейший нагрев до 700°С «на дыму» и удаление химически связанной воды из глины;
«взвар» - до температуры обжига 980-1000°С - созревание черепа;
охлаждение, «закал» - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий.

Можно отметить шесть главных видов реакций, протекающих в рядовых глинах при обжиге:

1) выделение гигроскопической воды из глинистых минералов и воды из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине;

2) окисление органических примесей;

3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов и реакции в так называемых твердых фазах;

4) жидкофазные реакции и образование стекловидного расплава;

образование новых кристаллических фаз;
реакции декарбонизации и десульфуризации.

Продукты разложения составляющих глины и керамические массы минералов (Аl₂О₃∙2SiO₂, SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO, Fe₂О₃ и .др. окислы) в процессе обжига взаимодействуют между собой при высоких температурах (1000°C и выше) и образуют легкоплавкие силикаты, плавление которых вызывает спекание и размягчение глин. Степень спекания глинистых материалов зависит от температуры и длительности обжига, от состава глинистого сырья, газовой среды, рода и количества плавней.

Охлаждение обожженных изделий — не менее ответственная операция. При 800-780°С череп изделия строительной керамики находится в пиропластическом состоянии и переходит в твердое состояние, поэтому необходимо замедлять охлаждение во избежание появления напряжений, которые могут разрядиться местными разрывами (трещинами). Считают опасным также участок 650- 500°С в связи с обратимым превращением α-β-кварц.

Спекание материала - существенный момент процесса обжига, так как к этому времени заканчивается формирование керамического изделия. Окончание спекания изделия характеризуется прекращением его усадки. Условными показателями спекшегося материала являются его водопоглощение.

Спекаемость глины зависит от содержания в ней плавней и степени их дисперсности.

На процесс формирования керамического черепка влияют: химический и гранулометрический состав сырья, соотношение компонентов в массе, а также температурно-газовый режим обжига.