Керамические материалы

Керамическими материалами и изделиями называют изделия, получаемые формованием и обжигом глин.

По плотности керамические материалы и изделия делятся на 2 основных вида: плотные и пористые.

1) пористые керамические изделия впитывают более 5% воды по массе. В среднем водопоглощение по массе пористых изделий составляет 8-20% и 15-35% по объему,

2) плотные характеризуются водопоглощением по массе менее 5%, чаще всего 2-4%, а по объему 4-8%.

По назначению в строительстве различают следующие группы керамических материалов:

1) стеновые материалы (кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый, легкий, камни керамические пустотелые);

2) кровельные (черепица, керамические пустотелые изделия);

3) облицовочные (для внутренней и наружной облицовки – кирпич и камни лицевые, плитки глазурованные и ангобированные),

4) материалы для полов (плитки),

5) материалы специального назначения (дорожные, санитарно-строительные, химически стойкие, материалы для подземных коммуникаций, теплоизоляционные, огнеупорные).

Сырье для производства керамических изделий

Сырьевые материалы, используемые для изготовления керамических изделий можно подразделить на пластичные и отощающие.

Глины и их керамические свойства

Глинами называют осадочные горные породы, представляющие собой тонкоземлистые минеральные массы, способные независимо от их минералогического и химического составов образовывать с водой пластичное тесто, которое после обжига превращается в водостойкое и прочное камнеподобное тело. Составной частью глины является каолинит, кроме него входит гидроалюмосиликаты (галлуазит Al₂O₃ 2SiO₂ 4H₂O, монтмориллонит Al₂O₃ 4SiO₂ nH₂O), кроме этих встречаются примеси: кварц, полевой шпат, пирит и т.д. Эти примеси влияют на технологию керамических изделий и на их свойства. Глины часто содержат органические примеси. Высокая пластичность глин обусловлена присутствием мелких частиц, диаметр которых не превышает 0, 005 мм – эти частицы называются глинистыми. В зависимости от содержания глинистого вещества различают: тяжелые глины (глинистого вещества более 60%), собственно глины (30-60%), суглинки (10-30%), супеси (5-10%).

По отношению к действию высоких температур различают глины 3-х групп:

1) огнеупорные (огнеупорность более 1580⁰С), к таким относятся каолиновые глины, содержащие мало механических примесей: Al₂O₃ – 25-39%, SiO₂ – 46-62%, Na₂O+K₂O – 0.3-3%,

2) тугоплавкие (1350-1580⁰С): Al₂O₃ – 16-29%, SiO₂ – 23-73%, Na₂O+K₂O – 0, 7-3, 2%,

3) легкоплавкие (менее 1350⁰С): Al₂O₃ – 7-21%, SiO₂ – 55-80%, Na₂O+K₂O – 1-5%,

По содержанию суммы Al₂O₃ и TiO₂ глины делят на высокоосновные с суммой более 40%, основные – 30-40%, полукислые – 15-30%, кислые – менее 15%.

По температуре спекания: глины низкотемпературного спекания менее 1100⁰С, среднетемпературные – 1000-1300⁰С и высокотемпературного спекания более 1300⁰С.

Пригодность глинистого вещества для изготовления керамических и огнеупорных изделий определяется их свойствами, зависящими от их химико-минералогического состава и гран. состава, наличия примесей.

Свойства глин как сырья для производства керамики: пластичность, отношение к сушке, отношение к нагреванию, огнеупорность.

Пластичностью глины называют ее способность под воздействием внешних усилий принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять эту форму после прекращения действия усилий. Правильней было бы сказать, пластичность это не свойство, а одно из состояний.

Пластическое состояние является промежуточным между хрупким и вязко-текучим.

Пластичность, прежде всего, зависит от гранулометрического состава: с повышением дисперсности глин их пластичность возрастает. Запесоченность понижает их пластичность.

Пластичность оценивается числом пластичности – разнице между влагосодержанием при нижнем пределе текучести и границе раскатывания. Для строительной керамики Пл = 7-15.

Пластичность глины можно изменять. Для уменьшения пластичности вводят непластичные материалы (отощающие добавки) или добавляют малопластичные глины. Для повышения: более пластичные глины, измельчают, вводят пластификаторы.

По пластичности глины бывают: высокопластичные, среднепластичные, умереннопластичные, малопластичные, непластичные – не дающие пластичного теста.

Воздушная усадка (усушка) глины

Воздушная усадка представляет собой уменьшение размеров образца при сушке.

Удаление влаги при высушивании вызывает уменьшение размеров и объема образца при этом происходит рост внутренних напряжений, что приводит к растрескиванию. Усадка зависит от содержания глинистых частиц и оценивается коэффициентом чувствительности к сушке – Кч, который определяется как отношение объемной усадки к истинной пористости материала в воздушно сухом состоянии.

. (26)

По степени чувствительности глины разделяют: малочувствительные - Кч < 1, среднечувствительные – Кч 1-1, 5, высокочувствительные – Кч > 1, 5.

Объемная усадка глин изменяется от 2-3 до 10-12%.

Отношение глин к нагреванию

При нагревании в глине происходит ряд физико-химических изменений. Основное изменение возникает в процессе обжига, во время которого глина превращается в камневидный материал, не размокающий в воде.

Процесс протекает следующим образом:

Сначала испаряется физически связанная вода при t = 110⁰С и выше. Затем удаляется химически связанная вода из глинистых минералов, попутно выгорают органические примеси. Удаление химически связанной воды интенсивно происходит при t = 550⁰С и заканчивается при t = 750⁰С. В результате глина теряет пластичность и приобретает максимальную пористость. При t = 900⁰С и выше происходит распад каолинита на свободные оксиды Al₂O₃ и SiO₂, при t > 1000⁰С они вновь соединяются между собой, образуя новые легкоплавкие соединения. Если глину, которая приобрела максимальную пористость продолжать нагревать, то эти соединения начинают плавиться и связывать массу. Этот процесс называется спеканием глины. Большинство глин начинает спекаться при t > 900⁰C. При продолжающемся повышении температуры происходит полное спекание глины, все промежутки заполняются расплавившимися материалами, однако масса еще способна выдерживать собственный вес и не деформироваться. При спекании глина уплотняется и этим пользуются для получения плотных изделий.

При дальнейшем нагревании наступает полное размягчение, масса не выдерживает собственного веса и растекается.

Для производства плотных изделий необходимо, чтобы между температурами спекания и полного размягчения был достаточно большой интервал не менее 50-100⁰С.

Резко понижают температуру размягчения добавки - плавни. Значение плавней велико, т.к. снижение температуры спекания позволяет сократить расход топлива при обжиге. При производстве огнеупорных материалов, содержания в глине большого количества плавней недопустимо, т.к. размягчение происходит слишком рано.

Огневая усадка – уменьшение размеров изделия при обжиге объясняется тем, что наиболее легкоплавкие частицы глины переходят в состояние жидкости, заполняющей промежутки между твердыми частицами. Жирные глины дают большую огневую усадку, чем тощие, поэтому к ним часто добавляют тощие глины или пески. Огневая усадка колеблется от 2 до 6%.

Огнеупорностью называется свойство глины противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Огнеупорность выражается в градусах и определяется на конусе Зегера (в форме узкой 3-х-гранной пирамиды высотой 30 мм). Для определения огнеупорности пирамиду из испытуемой глины нагревают совместно с несколькими пироскопами. Огнеупорность глины соответствует огнеупорности того пироскопа, который коснулся подставки одновременно с испытуемым образцом. Промежуток между температурой спекания и огнеупорностью называется интервалом спекания. В пределах этого лежит температура обжига для получения готового керамического материала.

Добавки, вводимые в глину для корректировки свойств.

Отощающие. Для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также для предотвращения деформаций и трещин в глине.

В качестве искусственных отощающих добавок используют шамот (дегидратированную глину), шлаки, золы, опилки. Природные отощители – это такие материалы, которые неспособны в смеси с водой образовывать пластичную массу (песок).

Выгорающие (порообразующие). В производстве изделий грубой керамики для повышения пористости и понижения теплопроводности в сырьевую массу вводят порообразующие добавки (опилки, уголь, торфяную пыль и др.). Они при обжиге сгорают и образуют поры.

Плавни (флюсующие). Введение в глину плавней способствует снижению температуры спекания. К ним относятся полевые шпаты, железная руда, доломит, тальк и т.д.