Керамические материалы и изделия

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Керамические материалы и изделия

Керамическими изделиями (по Кинду) принято называть такие изделия, которые получаются в результате обработки преимущественно глинистых и других силикатных материалов в такой последовательности: 1) измельчение и смешивание этих материалов в порошкообразные пластичные или текучие массы; 2) обжиг отформованных, отпрессованных или отлитых из этих масс изделий при температурах от 900 до 1700 °С а иногда и выше.

Эффективные керамические теплоизоляционные и огнеупорные диато-митовые, алюмосиликатные, корундовые материалы имеют коэффициент теплопроводности и температуру применения соответственно 0.087 - 0.119, 0.15 - 0.52 и 0.51 - 1.3 Вт/(м-°С) и 850 - 900, 1150 - 1250 и 1400 -1600 °С.

Увеличение содержание огнеупорных оксидов (А12Оз, BeO, ZnO, MgO) в керамических материалах способствует повышению температуры применения до 2000 °С и выше.

На многие керамические изделия в процессе их изготовления наносится тонкий слой легкоплавкого стекла, который носит название глазури.

Минералогический состав глин весьма разнообразен. Помимо каолинита и других водных алюмосиликатов, родственных ему, важнейшими в глинах являются еще следующие минералы:

1) кварц в виде песка большей или меньшей крупности; 2) слюда; 3) полевой шпат; 4) углекислый кальций; 5) углекислый магний; 6) окислы железа и т.п. При значительном возрастании перечисленных выше составляющих глины могут перейти в глинистые пески, мергели и т.п.

Та или иная степень пластичности глин зависит от целого ряда причин, к которым следует отнести: а) минералогический состав глины; б) размер частиц глинистого вещества и примесей; в) форму и характер поверхности отдельных зерен; г) количество воды в глиняном тесте; д) содержание в этой воде растворенных солей и т.п.

По структурному признаку все изделия разделяют на две группы: пористые и плотные. К пористым условно относятся те изделия, которые показывают водопоглощение свыше 5 % по массе: кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы и др. Плотными принимают изделия с водопоглощением меньше 5 % по массе, и они практически водонепроницаемы, например, плитки для пола, канализационные трубы, кислотоупорный кирпич и плитки, санитарный фаянс, дорожный кирпич.

По температуре плавления керамические изделия и исходные глины разделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350 °С), тугоплавкие температурой плавления 1350 - 1580 °С) и огнеупорные (свыше 1580 °С). Изделия и сырье высшей огнеупорности имеют температуру плавления в интервале 2000 - 4000 °С.

Зверевым В.Б. определены зависимости для определения температуры обжига керамических изделий. Он основывался на приближенном правиле Рихтера, гласящего, что оксиды плавня влияют на температуру плавления глины, понижая эту температуру соответственно их молярным массам. Так, действие 40 массовых частей MgO одинаково с действием 56 массовых частей СаО и т.п.

Отличительная особенность всех керамических изделий и материалов состоит в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности. Хрупкость относится к отрицательным свойствам строительной керамики. Керамические изделия обладают высокой химической стойкостью.

К изделиям и материалам строительной керамики относятся: стеновые -кирпич керамический рядовой полнотелый обыкновенный, кирпич керамический рядовой пустотелый, блоки пустотелые, крупноразмерные панели, панели из кирпича; фасадные изделия, в том числе кирпич и камни лицевые, плиты крупноразмерные и плитки, ковровая керамика; изделия для внутренней облицовки стен - плитки, фасонные детали (карнизы, уголки); плитки для полов; изделия для перекрытий (балки, плиты); кровельные изделия - черепица; санитарно-технические изделия - ванны, унитазы, умывальники; дорожные - дорожный кирпич; изделия для подземных коммуникаций - канализационные и дренажные трубы; огнеупорные изделия, применяемые для футеровки печей и других тепловых агрегатов; теплоизоляционные материалы - керамзит, аглопорит и др.; химически стойкая керамика - кирпич и плитка для футеровки химической аппаратуры.

Кирпич и камни керамические изготавливают из глин, а также диатомитов, лессов и промышленных отходов. Кирпич имеет размеры 250 х 120 х 65 мм, кирпич утолщенный 250x120x88 мм, кирпич модульных размеров 288x138x63 мм. Камни выпускаются со следующими размерами: 250x120x138;288x138x138;250x250x138; 250x250x120;250x200x80 мм.

По средней плотности кирпич и камни подразделяются на три группы: а)эффективные, средняя плотность кирпича и камней не должна превышать соответственно 1400 и 1450 кг/м3; б) условно эффективные, средняя плотность изделий составляет 1450-1600 кг/м3; в) керамический кирпич со средней плотностью более 1600 кг/м3 .

Кирпич и камни имеют марки по прочности: 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100, 75, по морозостойкости Мрз15, Мрз25, Мрз35 и Мрз50.

Облицовочные плитки имеют толщину 5 и 6 мм и размеры 100x100; 150x150; 150x75; 150x25 мм; толщину 6 и 8 мм и размеры 200x100; 200x150; 200x200 мм.

Глиняная черепица долговечна, недорога, декоративна. Черепица выпускается следующих типов: пазовая штампованная, пазовая ленточная, плоская ленточная, волнистая ленточная, S - образная ленточная и коньковая. Ленточную черепицу изготавливают пластическим формованием на ленточных

прессах со специальным мундштуком, а штампованную пазовую - полусухим прессованием.

Санитарно-технические изделия изготавливают из беложгущихся глин. Изделия из фаянса имеют пористый черенок с водопоглощением 10-12% и пределом прочности при сжатии около 100 МПа, из полу фарфора соответственно 0.2-0.5% и до 500 МПа.

Технологии крупноразмерных керамических изделий. В настоящее время осуществляется массовое производство мелко - и среднеразмерных керамических изделий: кирпича и пустотелых камней. Вместе с тем известно, что ранее (начало века) изготавливались среднеразмерные элементы покрытий. Они формовались по бетонной технологии. Прогресс в области цементных изделий приостановил работы в данном направлении. Однако попытки различным образом увеличить размеры изделий как с использованием мелкоразмерных керамических изделий, так и на основе высокоотощенных глиняных масс продолжались.

Кирпич - мелкоштучное изделие, поэтому процесс возведения стен из него очень трудоемок, выполняется вручную, так как плохо поддается механизации. Логичным решением этой проблемы явилось производство крупноразмерных изделий на его основе. В середине XX в при возведении кирпичных стен стали применяется виброкирпичные панели. Впервые изготовление кирпичных панелей было освоено в Швейцарии в начале 50 -х годов. Вскоре они стали применяться и в других странах Западной Европы: Франции, Италии, Испании, Швеции. К недостаткам следует отнести необходимость увеличения армирования сооружений, исходя из транспортных и монтажных нагрузок. Отсутствие экономической целесообразности приостановило работы в данном направлении, а в дальнейшем строительная индустрия от этого отошла.

В высокоразвитых странах начали изготовление крупноразмерных керамических изделий методом экструзии. Ведущие фирмы - производители оборудования для производства кирпича (Келлер, Серик, Ажемак, Морандо, Хендле и др.) разработали конструкции ленточных прессов, позволяющих экструзионно формовать крупноразмерные керамические изделия. Данные фирмы решили задачи снижения неравномерных усадочных деформаций материалов крупноразмерной керамики при сушки и обжиге. Во Франции получены пустотелые керамические элементы размерами 2600 х 600 х 3000 мм с 7-9 рядами узких пустот, в Германии - пустотелые керамические элементы «Plankensiegel» длиной 2700-3600, шириной 600-1200 и толщиной 50-300 мм с содержанием пустот около 50%, прочностью при сжатии 2.5-3 МПа. Японская фирма «Otsukachemicco» разработала технологию облицовочных панелей размером 3000 х 600 х 25 мм [4].

В начале 80-х годов в Санкт-Петербурге по постановлению правительства было создано научно-проектно-строительное объединение /НПСО/

«Керамика». Основной задачей НПСО являлась разработка технологии производства отечественных крупноразмерных изделий. Однако в связи с отсутствием разработок по снижению неравномерных усадочных деформаций материалов при сушке и обжиге устранить дефекты изделий не удалось. Многолетние небезуспешные попытки решения вопросов изготовления крупноразмерных керамических изделий с привлечением ЦНИИСК им. Кучеренко, СПбГАСУ и ряда других организаций пока не завершились результатами, достаточными для начала массового производства.

Значительные материалоемкость и энергоемкость производств крупноразмерных керамических изделий по технологиям западных фирм в последние годы привели к снижению их эффективности.

Наметился отток к производству кирпича и керамических камней.

Другим направлением получения крупноразмерных керамических изделий является прямое изготовление их на основе применения элементов бетонной технологии. Первые керамические блоки были изготовлены доцентом СПбГАСУ Ткаченко Я.Н. в 1960 г. на 1-м кирпичном заводе г. Санкт-Петербурга. В 1961 г. на одном из заводов г. Москвы изготовлены керамические изделия размером 3000 х 1100 х 400 мм средней плотностью 1300-1500 кг/м3 и прочностью 5.5-12 МПа. Эти работы не получили дальнейшего развития из-за невозможности устранения большого количества трещин на поверхности изделия, возникающих вследствие неравномерных усадок при сушке и обжиге. В полупромышленных условиях высушить и обжечь удалось лишь блоки с максимальным размером 800 х 400 х 400 мм [4].

В Краснодарском филиале ВНИИ Монтажспецстроя Прожога В.Т. разработал технологию изготовления крупноразмерных керамических изделий с применением вибрационного метода уплотнения высокоотощенных керамических масс. Она позволила на базе использования легкоплавких глин в качестве связки и разного рода пористых заполнителей (керамзита, аглопорита, туфа и др.) получать крупноразмерные изделия. Они были легки, удобны в монтаже, но имели низкую прочность - 3.5 ... 6 МПа.

Создание плотных упаковок пористых заполнителей, отощающих смеси, применение способов снижения водосодержания, безвибрационных способов формования, вакуума на стадиях сушки и обжига позволило С.В.Максимову получить крупноразмерные керамические изделия повышенного качества. Плотность изготовленных керамических изделий классов В1 О-В 15 и В3.5-В5 составляла соответственно 1000-1100 кг/м3. Использование двухслойного де-корирования по разработанной совместно Б.А. Григорьевым, А.П. Васиным, А. Парвесом технологии позволило провести глазурование изделий. При этом пористость глазури снижена в 1.5 - 1.8 раза, белизна покрытия повышена на 5 - 7 %.