Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Сырье для производства керамических строительных материалов

Администрация городского округа Самара

АМОУ ВПО Самарская академия государственного и муниципального управления

Экономический факультет

Кафедра Кадастра и геоинформационных технологий

Контрольная работа
по дисциплине: «Материаловедение»
на тему: «Сырье для производства керамических строительных материалов»

Cамаpа, 2013

Cодеpжание

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

I. Общие сведения и сырье для производства керамических строительных материалов…………………………………………………………………………..4

II. Образование глинистых материалов и их химико – минералогические составы……………………………………………………………………………….6

2.1 Основные минеральные составляющие глин……………………………….7

2.2 Примеси………………………………………………………………………..8

2.3 Химический состав глин……………………………………………………...9

III. Технологические свойства глинистых материалов

3.1 Гранулометрический состав глин………………………………………….12

3.2 Технологические свойства глин……………………………………………13

3.3 Классификация глинистого сырья для керамической продукции………20

Список используемой литературы………………………………………….….24

Приложения……………………………………………………………………....25

Введение

В данной, контрольной работе, на тему: «Керамические строительные материалы» рассмотрим:

общие сведения и сырье для производства керамических строительных материалов;
образование глинистых материалов и их химико – минералогические составы;
технологические свойства глинистых материалов.

Керамическое производство относится к числу наиболее древних на земле. Наличие легкодоступного материала – глины – обусловило раннее и практически повсеместное развитие ремесла.

Керамическое производство зародилось в доисторическое время после того, как человек научился получать и использовать огонь. Человек увидел, что с помощью тепла можно сохранить форму предметов, вылепленных из глины, и сделать их непроницаемыми для воды. Скоро заметили, что все глины имеют различные свойства и что для изготовления определенных продуктов следует использовать различные глины.

Керамические строительные материалы полностью отвечают требованиям долговечности и обладают высокими архитектурно – художественным качествам. Они стойки в агрессивных средах, атмосфероустойчивы и морозостойки.

Керамические изделия находят самое различное применение во многих отраслях народного хозяйства и в быту. Они используются как строительные материалы – кирпич, черепица, облицовочные плитки для стен и полов, канализационные трубы, различные санитарно – технические изделия. Посуда из фарфора и фаянса остается до настоящего времени наиболее распространенной и широко используемой.

I. Общие сведения и сырье для производства керамических строительных материалов

Керамическими называют искусственные каменные материалы, получаемые обжигом сырца, отформованного из глинистых пород. Керамические материалы, применяемые с древнейших времен, обладают многими достоинствами: сырье для них широко распространено в природе; сырцу можно придать любую форму; обожженные изделия прочны и долговечны. К недостаткам керамических материалов относятся: возможность изготовления изделий лишь относительно небольших размеров; большой расход топлива на обжиг; трудность механизации работ при возведении конструкций из керамических материалов.

В зависимости от пористости керамические материалы делят на пористые с водопоглощением более 5% и плотные с водопоглощением менее 5%. Как плотные, так и пористые материалы могут относиться к грубой керамике, характеризующейся окрашенным черепком, или к тонкой керамике, характеризующейся белым и однородным в изломе черепком. В строительстве шире применяют грубую керамику. Независимо от пористости и цвета черепка керамические материалы могут быть неглазурованными и глазурованными. Глазурь — это стекловидный слой, нанесенный на поверхность материала и закрепленный на нем при обжиге. Глазурь имеет высокую плотность и химическую стойкость.

В зависимости от области применения в строительстве керамические материалы делят на следующие группы:

стеновые — кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и пористо-пустотелый пластического формования, полнотелый и пустотелый полусухого прессования, камни пустотелые пластического формования;

камни пустотелые для часторебристых перекрытий, для армокерамических балок, камни для накатов;

для облицовки фасадов зданий — кирпич и камни лицевые, ковровая керамика, плитки фасадные малогабаритные, плиты фасадные и подоконные сливы;

для внутренней облицовки зданий — плитки для облицовки стен, встроенные детали, плитки для полов;

кровельные — глиняная черепица рядовая, коньковая, разжелобчатая концевая и специальная;

трубы керамические — канализационные и дренажные;

материалы специального назначения — кирпич лекальный камни для канализационных сооружений, санитарно-техническая и высокопористая теплоизоляционная керамика, кислотоупорные изделия (кирпичи, плитки, фасонные детали и трубы), огнеупорные изделия (кирпичи, фасонные плитки и детали).

По сложившейся традиции, пористые изделия грубозернистого строения из глинистых масс называют грубой керамикой, а изделия плотные тонкозернистого строения, СА спекшимся черепком, водонепроницаемые, типа плиток для полов называют тонкой строительной керамикой.

В производстве строительной керамики применяют, в основном, способы пластического формирования и полусухого прессования, и значительно реже литье в гипсовые формы ( изделия санитарно – технического назначения).

Многие ученые считают, что основную прочность спекшимся керамическим материалам сообщает муллит. Муллит 3Al₂O₃ × 2SiO₂ образует игловидные, призматичексие или волокнистые кристаллы с ясно различимой совершенной спайностью.

Состав муллита долгое время является предметом дискуссий, в результате которых исследователи пришли к мнению, что состав муллита колеблется от 2Al₂O₃ × SiO₂ до 3Al₂O₃ × 2SiO_{2 .}

Минерал может давать сростки и скопления (прил. А). Примеси Fe₂O₃ и TiO₂ вызывают появление плеохризма в желтоватых и голубоватых тонах. Плотность муллита 3,03 г/см³. Размер кристаллов муллита разнообразен: от 2 до 5×10^-6 м, в шамоте – до 10 мм по длине в муллитовых изделиях. Входит также в состав фарфора.

II. Образование глинистых материалов и их химико – минералогические составы

Глина - тонкодисперсный продукт разложения и выветривания самых различных горных пород (преобладающий размер частиц - менее 0,01 мм) - способны образовывать с водой пластичную массу, которая сохраняет придаваемую ей форму, а после сушки и обжига приобретает камнеподобные свойства.

В зависимости от геологических условий образования глины разделяются на остаточные или первичные (элювиальные), образовавшиеся непосредственно на месте залегания материнской породы, и осадочные или вторичные, образовавшиеся путем переноса и переотложения водой, ветром или ледниками в новое место. Как правило, элювиальные глины низкого качества, в них сохраняются материнские породы, часто они засорены гидроксидами железа и обычно малопластичны.

Вторичные глины разделяются на делювиальные, перенесенные дождевыми или снеговыми водами, ледниковые и лессовые, перенесенные соответственно ледниками и ветром. Делювиальные глины характеризуются слоистыми напластованиями, большой неоднородностью состава и засоренностью различными примесями. Ледниковые глины обычно залегают линзами и сильно засорены посторонними включениями (от крупных валунов до мелкой щебенки). Наиболее однородны лессовые глины. Они характеризуются высокой дисперсностью и пористым строением.

Глинистые породы (глины, суглинки, аргиллиты, алевролиты, сланцы и другие), используемые в качестве сырья для производства керамических кирпичей и камней, должны соответствовать требованиям ОСТ 21-78-88 (срок действия до 01.01.96г.), а классификация сырья приведена в ГОСТ 9169-75*.

Пригодность глины для кирпича определяют, исходя из минерально-петрографической характеристики, химического состава, показателей технологических свойств и рациональной характеристики.

2.1 Основные минеральные составляющие глин: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды (иллит).

Каолинит (Al₂O₃ × 2SiO₂ × 2Н₂О) - имеет относительно плотное строение кристаллической решетки со сравнительно небольшим межплоскостным расстоянием 7,2 Å. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды, и при сушке глины с большим содержанием каолинита сравнительно свободно и быстро отдают присоединенную воду. Размер частиц каолинита 0,003 - 0,001 мм. Основные разновидности каолинитовой группы - каолинит, диккит, накрит. Каолинит наиболее распространен. Каолинит мало чувствителен к сушке и обжигу, слабо набухает в воде и обладает небольшой адсорбционной способностью и пластичностью.

Монтмориллонит - (Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂О × nН₂О) (прил. Б) - имеет слабую связь между пакетами, так как расстояние между ними сравнительно велико - 9,6-21,4 Å, и оно может возрастать под воздействием вклинивающихся молекул воды. Иначе говоря, кристаллическая решетка монтмориллонита является подвижной (разбухающей). Поэтому монтмориллонитовые глины способны интенсивно поглощать большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении с увеличением в объеме до 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк (<0,001мм). Эти глины имеют наиболее высокую дисперсность среди всех глинистых минералов, наибольшую набухаемость, пластичность, связность и высокую чувствительность к сушке и обжигу.

Основными представителями монтмориллонитовой группы являются: монтмориллонит, нонтронит, бейделит.

Галлуазит - Al₂O₃ × 2SiO₂ × 4Н₂О - включает галлуазит, ферригаллуазит и метагаллуазит, является частым спутником в каолинитах и каолинитовых глинах. Галлуазит по сравнению с каолинитом обладает большей дисперсностью, пластичностью и адсорбционной способностью.

Гидрослюды - (иллит, гидромусковит, глауконит и др.) являются продуктом разной степени гидратации слюд. В значительных количествах они встречаются в легкоплавких глинах и в небольших количествах в огнеупорных и тугоплавких глинах.

Иллит (гидрослюда) - K₂O × MgO × 4Al₂O₃ × 7SiO₂ × 2Н₂О - является продуктом многолетней гидратации слюд, и ее кристаллическая решетка сходна с монтмориллонитом. Гидрослюды по интенсивности связи с водой занимают среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Размеры частиц гидрослюды порядка 1 мк ( ~0,001мм).

2.2 Примеси.

Кроме глинистых компонентов, в состав глинистых пород входят различные примеси, которые разделяются на кварцевые, карбонатные, железистые, органические и щелочные окислы.

Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и пыли. Они отощают глину и ухудшают ее пластичность и формовочные свойства, хотя крупный кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а мелкий – ухудшает их. В то же время, кварцевые примеси ухудшают обжиговые свойства, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении, снижают прочность и морозостойкость.

Карбонатные примеси встречаются в глинах в 3-х структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, рыхлых и мучнистых примазок и в виде плотных каменистых частиц.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по реакции СаСО₃ =СаО + СО₂ , способствуют формированию пористого черепка и снижению его прочности. Эти мелкие включения не являются вредными для стеновой керамики. Рыхлые примазки и скопления при механической переработке глины легко разрушаются на более мелкие и не снижают существенно качество изделий.

Наиболее вредными и опасными являются каменистые карбонатные включения размером более 1 мм, так как после обжига керамики эти включения остаются в черепке в виде обожженной извести, которая в последующем при присоединении влаги из атмосферы или, например, при увлажнении обожженных изделий переходит в гидроокись кальция по схеме

СаО + Н₂О = Са (ОН)₂ + Q (тепло).

Учитывая, что объем гидроокиси по сравнению с СаО увеличивается более чем в четыре раза, в черепке возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие образование трещин. В случае, если этих включений много, возможно полное разрушение керамического изделия.

Железистые примеси окрашивают керамику в разные цвета: от светло-коричневого до темно-красного и даже черного. Органические примеси при обжиге выгорают, они существенно влияют на сушку изделия, так как вызывают большую усадку, что приводит к образованию трещин.

2.3 Химический состав глин.

Содержание основных химических составляющих в глинистой породе оценивают по количественному содержанию диоксида кремния, в том числе свободного кварца, сумме оксидов алюминия и титана, железа, кальция и магния, калия и натрия, сумме соединений серы (в пересчете на SO₃), в том числе сульфидной.

Обычно химический состав легкоплавких глин составляет, %: SiO₂ – 60…85; Al₂O₃ вместе с TiO₂ – не менее 7; Fe₂O₃ вместе с FeO- не более 14; CaO + MgO – не более 20; R₂O (K₂O + Na₂O) – не более 7.

Сравнительная характеристика химического состава различных глин приведена в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав глин

Тип глин	Содержание, %
Тип глин	SiO₂	Al₂O_{3 +} TiO₂	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O + Na₂O	nnn
Огне-упорные	46-62	25-39	0,4-2,7	0,2-0,8	0,2-1	следы -0,5	0,3-3	8-18
Тугоплавкие	53-73	16-29	1-9	0,5-2,0	0,3-2,6	следы -0,6	0,7-3,2	4-12
Легко-плавкие	55-80	7-21	3-12	0,5-15 и более	0,5-3	следы -3	1-5	3-15 и более

Кремнезем (SiO₂) находится в глинах в связанном и свободном состояниях. Первый входит в состав глинообразующих минералов, а второй представлен кремнеземистыми примесями. С увеличением содержания SiO₂ пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Предельное содержание SiO₂ – не более 85%, в том числе свободного кварца – не более 60%.

Глинозем (Al₂O₃) находится в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. С увеличением содержания Al₂O₃ повышается пластичность и огнеупорность глин. Обычно по содержанию глинозема косвенно судят об относительной величине глинистой фракции в глинистой породе. Глинозема содержится от 10-15% в кирпичных и до 32-35% - в огнеупорных глинах.

Оксиды щелочноземельных металлов (СаO и MgO) в небольших количествах участвуют в составе некоторых глинистых минералов. При высоких температурах СаО вступает в реакцию с Al₂O₃ и SiO₂ и, образуя эвтектические расплавы в виде алюмо-кальций-силикатных стекол, резко понижают температуру плавления глин.

Оксиды щелочноземельных металлов (Na₂O и K₂O) входят в состав некоторых глинобразующих минералов, но в большинстве случаев участвуют в примесях в виде растворимых солей и в полевошпатовых песках. Они понижают температуру плавления глины и ослабляют красящее действие Fe₂O₃ и TiO₂. Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности.

В качестве предельного значения соединений серы в пересчете на SO₃ принимается не более 2%, в том числе сульфидной – не более 0,8%. При наличии SO₃ более 0,5%, в том числе сульфидной не более 0,3%, в процессе испытаний глинистой породы должны определяться способы устранения высолов и выцветов на необожженных изделиях путем перевода растворимых солей в нерастворимые.

III. Технологические свойства глинистых материалов

3.1 Гранулометрический состав глин – это распределение зерен в глинистой породе по их величине. Обычно зерновой состав различных глин характеризуется данными, приведенными в таблице 2.

Таблица 2 . Зерновой состав глин

Тип глин	Размер частиц в мм
Тип глин	Более 0,25	0,25-0,05		0,05-0,01	0,01- 0,005	0,005-0,001	Менее 0,001
Огнеупорные	0-5	0-15	1-16		1-25	4-33	45-86
Тугоплавкие	0,5-15	0,5-1,5	2-27		0,5-16	4-34	18-80
Легкоплавкие	0,2-19	0,5-18	9-55		4-24	6-25	10-50

Сравнивая данные таблиц химического (табл.1) и гранулометрического (табл.2) составов можно сделать вывод о значительных их колебаниях для различных глин, что не позволяет точно установить взаимосвязь со свойствами сырья. Однако имеются определенные общие закономерности. Незначительное содержание глинозема (Al₂O₃) при высоком содержании кремнезема (SiO₂) свидетельствует о большом содержании свободного кремнезема, который в основном находится в грубодисперсной составляющей глин и является естественной отощающей добавкой.

Для легкоплавких глин характерно наибольшее содержание SiO₂ и плавней (R₂O, RO, Fe₂O₃) и наименьшее содержание Al₂O₃. Здесь глинозем практически полностью входит в состав глинообразующих минералов, на что указывают и данные табл.2, где содержание частиц менее 0,001 мм в легкоплавких глинах наименьшее по сравнению с тугоплавкими и огнеупорными.

Повышенное содержание Al₂O₃ в глинах свидетельствует о большом количестве глинистого вещества, большей его дисперсности, и следовательно, большей пластичности и связанности материала. Большое содержание плавней и в особенности R₂O (Na₂O и K₂O) при малом содержании Al₂O₃ свидетельствует о низкой огнеупорности глины. Чем меньше в глине содержится плавней, тем она более огнеупорна и спекается при более высоких температурах. Однако, одновременное присутствие в глине значительного количества щелочных окислов (главным образом K₂O) при одновременном высоком содержании Al₂O₃ и малом содержании других плавней может обусловить и высокую огнеупорность глин и способность спекаться при низких температурах, что дает возможность изготовлять широкий ассортимент пористых и спекшихся изделий. Таким образом, на основе знания химико-минералогического и зернового состава сырья можно приближенно оценить его свойства.

3.2 Технологические свойства глин характеризуют материал на разных стадиях его обработки в процессе изготовления из него изделий. Технологические свойства глинистых пород изучаются в лабораторных условиях, а результаты исследования, как правило, проверяются в полупромышленных условиях. Для бентонитовых, огнеупорных глин и керамического сырья результаты лабораторных исследований проверяются в промышленных условиях. При намечаемом использовании глинистых пород для назначений, по которым отсутствует опыт переработки в промышленных условиях, а также при изучении возможности использования сырья, не отвечающего требованиям стандартов и технических условий, технологические исследования проводятся по специальной программе, согласованной с заинтересованными организациями.

Важнейшими технологическими свойствами глинистых пород, определяющими их использование в промышленности, являются пластичность, огнеупорность, спекаемость, вспучивание, а также набухание, усушка, усадка, адсорбционная способность, связующая способность, укрывистость, окраска, способность образовывать устойчивые суспензии с избытком воды, относительная химическая инертность. Эти свойства обусловливаются процессами, происходящими в материале при затворении его водой, формовании, сушке, обжиге.

Если сухой глинистый порошок смочить водой, его температура повысится. Это объясняется тем, что молекулы воды прочно связываются с глинообразующими минералами и располагаются на них в определенном порядке.

Влагоемкость характеризует способность глины вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее. С увеличением дисперсности глины ее влагоемкость возрастает. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей влагоемкостью, каолинитовые - наименьшей.

Набуханием называют способность глины увеличивать свой объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном контакте с водой. Процесс набухания во времени затухает. Рыхлые породы глин набухают быстрее, чем плотные. Запесоченность глин понижает степень их набухания. Монтмориллонитовые глины набухают сильнее, чем каолинитовые.

Размокание представляет собой распад в воде крупных глинистых агрегатов на более мелкие или элементарные частицы. Первая стадия распада глинистого агрегата происходит при его набухании, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами глины, расклинивают их. По мере увеличения толщины водной оболочки ослабляется связь между отдельными зернами глины, и они начинают свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии,— происходит полное размокание глины. Чтобы ускорить процесс размокания, глину перемешивают, механически разрушая ее куски, или подогревают воду.

Глина в воде размокает. Плотные глины размокают очень трудно. Предварительное дробление и перемешивание во время размокания ускоряют этот процесс. При размокании вода, проникая в поры между частицами глины, расклинивает их. Агрегированные частицы распадаются на более мелкие зерна или элементарные частички глинистых минералов с образованием полидисперсной системы. Одновременно глинистые частицы начинают впитывать воду, которая поглощается между слоями групп атомов («пакета») кристаллической решетки частиц глины. При этом частицы набухают, увеличиваются в объеме.

Вода в глине всегда содержит некоторое количество растворенных солей, молекулы которых диссоциированы на ионы. Катионы этих солей, являясь носителями положительных зарядов, также окружены «собственной» водной оболочкой и вместе с ней могут находиться либо в диффузном слое, либо на поверхности зерна глинообразующего минерала, создавая так называемый сорбированный комплекс.

Процессы, происходящие с участием обменного комплекса ионов, резко влияют па стабильность (устойчивость к оседанию) глинистых суспензий шликеров, фильтрацию воды в глиносодержащих массах при процессах обезвоживания (фильтр-прессования) масс или при сушке. Влияют они на механические свойства пластичных глинистых масс и сухого полуфабриката.

Тиксотропное упрочнение - свойство влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и прочность. Так, если свежеприготовленный шликер (глиняная масса жидкой консистенции) оставить на некоторое время в покое, то он загустеет и упрочнится, а после перемешивания его текучесть восстановится. Так может повторяться многократно. Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации частиц глины и молекул воды, что увеличивает силу их сцепления. При этом часть свободной воды переходит в связанную. Тиксотропия глин имеет большое значение при приготовлении шликеров, пластичного теста и формовании изделий.

Явления тиксотропного упрочнения глиняного шликера в керамической промышленности называется загустеваемость. Величина загустезаемости зависит от характера глин, содержания электролитов и влагосодержания.

Разжижаемость - свойство глин и каолинов образовывать при добавлении воды подвижные устойчивые суспензии. Количество воды, необходимой для разжижения, определяется минералогическим составом глин и регулируется добавлением электролитов. Оптимальное разжижение, т. е. сочетание достаточной текучести и наименьшего содержания поды, достигается при правильном выборе электролита и его концентрации. В качестве электролитов применяют обычно 5 % или 10 %-ные растворы соды, жидкого стекла, пирофосфата натрия и др.

Пластичность - способность глины образовывать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних механических усилий может принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять эту форму после прекращения действии усилий. Пластичность глин зависит от зернового и минералогического составов, а также запесоченноети глин. С повышением дисперсности глин их пластичность возрастает, наибольшей пластичностью обладают монтмориллонитовые глины, наименьшей каолинитовые.

Связующая способность - свойство глин связывать частицы неэластичных материалов (песка, шамота), сохраняя при этом способность массы формоваться и давать после сушки достаточно прочное изделие. Связующая способность зависит от зернового и минералогического состава глины.

Изменения, которые происходят в глиняной массе при ее сушке, выражаются в таких свойствах, как воздушная усадка, чувствительность глин к сушке и влагопроводящая способность.

Воздушной усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема глиняного образца при его сушке. Величина воздушной усадки зависит от количественного и качественного состава глинистого вещества и влагоемкости глины и колеблется от 2 до 10%. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей усадкой, каолинитовые — минимальной. Запесоченность глин понижает воздушную усадку.

Сырье для производства керамических строительных материалов 📙 Реферат → 🆔 273279