Як отримують керамічні матеріали

Керамічними називають матеріали та вироби, що виготовляються формуванням та випаленням глин.

«Керамос» - давньогрецькою мовою означало гончарну глину, а також вироби з обпаленої глини. У давнину з глин шляхом випалу отримували посуд, а пізніше (близько 5000 років тому) стали виготовляти цеглу, а потім черепицю.

• стінові матеріали - цегла глиняна звичайна, пустотіла і легка, камені керамічні пустотілі;
• покрівельні матеріали та матеріали для перекриттів – черепиця, керамічні порожнисті вироби;
• облицювальні матеріали для зовнішнього та внутрішнього облицювання – цегла та каміння лицьові, плити керамічні фасадні, малогабаритні плитки;
• матеріали для підлоги – плитки;
• матеріали спеціального призначення – дорожні, санітарно-будівельні, хімічно стійкі, матеріали для підземних комунікацій, зокрема труби, теплоізоляційні, вогнетривкі та ін.;
• заповнювачі для легких бетонів (керамзит, аглопорит).

2. Залежно від пористості структури:

• пористі (водопоглинанням за масою 5 і більше 5% – керамічна цегла та каміння, черепиця покрівельна, облицювальні плитки та керамічні труби);
• щільні (водопоглинанням по масі – менше 5% – плитки для підлог та дорожня цегла).

Абсолютно щільних керамічних виробів немає, тому що вода затвору, що випаровується, вводиться в глиняне тісто, завжди залишає деяку кількість мікро- і макропор.

Керамічні матеріали мають цінні універсальні споживчі властивості:

• водостійкість;
• стійкість до агресивних впливів;
• висока екологічність;
• простота технологічних прийомів виготовлення;
• різноманітність сировинних матеріалів;
• міцність;
• довговічність;
• гігієнічність;
• Декоративність.

Застосування: у всіх елементах будівель та споруд, у збірному керамічному домобудуванні, у будівництві стінових керамічних виробів, для виготовлення фасадної кераміки, пористих заповнювачів для бетонів, санітарно-технічної кераміки, плитки для підлоги, керамічних каналізаційних труб та ін.

5.2. Глини, їх види та властивості

Основною сировиною для керамічних будівельних матеріалів є глина.

Глина – осадова гірська порода, що утворилася в результаті руйнування скельних порід у процесі вивітрювання і складається з глинистих мінералів.

Глинисті мінерали – пухка суміш найдрібніших частинок (менше 0,005 мм) різного складу, здатних добре адсорбувати (поглинати та утримувати) вологу на своїй поверхні.

Глина – осадова гірська порода, що утворилася в результаті руйнування скельних порід у процесі вивітрювання і складається з глинистих мінералів.

У глинах містяться більші частинки – пил (розміром від 0,005 до 0,15мм) та пісок (розміром від 0,15 до 5мм).

А також мінеральні речовини – кварцити, магнезити, хромисті залізняки.

Поряд з цими мінералами в глинах зустрічаються кварц, польовий шпат, сірчаний колчедан, гідрати оксидів заліза та алюмінію, карбонати кальцію та магнію, сполуки титану, ванадію. Такі домішки впливають як у технологію керамічних виробів, і їх властивості. Наприклад, тонко розподілений вуглекислий кальцій та оксиди заліза знижують вогнетривкість глин. Якщо в глині ​​є великі зерна і піщинки вуглекислого кальцію, то при випаленні з них утворюються більш менш великі включення вапна, яка на повітрі гідратується зі збільшенням обсягу (дутики), що викликає утворення тріщин або руйнування виробів.З'єднання ванадію спричиняють виникнення зелених нальотів (вицвітів) на цеглі, що псує зовнішній вигляд фасадів.

1. Пластичність - це здатність глин у зволоженому стані приймати під впливом зовнішніх впливів необхідну форму та розміри та зберігати її без розривів та тріщин при сушінні та випаленні.

Пластичність залежить від мінерального складу та тонкості частинок глини.

Пластичність можна підвищити:

• введенням добавок, що пластифікують;
• відмучуванням (очищенням глини від домішок піску);
• виляганням у водонасиченому стані протягом кількох місяців.

Пластичність можна зменшити введенням додатків, що отощають (пісок, тирсу).

За рівнем пластичності розрізняють глини високопластичні (жирні), малопластичні (худі) та середньої пластичності.

«Жирні» глини – що більше в глині ​​частинок глинистих мінералів, тим більше здатна увібрати у собі води, більше набухає, але важче сохне і дає велику усадку.

"Худі" глини - глини з великою кількістю піщаних частинок, характеризуються невеликою усадкою і набуханням, легко сушаться, але пластичність у них знижена.

2. Усадка глини – це зменшення лінійних розмірів глиняного сирцю при сушінні (повітряне усадження) і випалюванні (вогнева усадка) Усадку виражають в % від початкового розміру виробу.

Повітряна усадка має значення від 2 до 12% від початкового розміру виробу.

3. Набухання – здатність глини збільшуватися в об'ємі при перемішуванні з водою.

4. Вогнетривкість – характеризується здатністю протистояти, не розплавляючись, дії високих температур.

За цією ознакою глини поділяються на:

• легкоплавкі глини – містять велику кількість домішок (кварцового піску, оксидів заліза, вапняку, органічних речовин), плавляться при температурі нижче 1350 градусів. З них виготовляють цеглу, стінове каміння та черепицю.
• тугоплавкі глини містять незначну кількість домішок, плавляться при температурі 1350 - 1580 градусів. Застосовують для виготовлення керамічних облицювальних виробів, лицевої цегли, каналізаційних труб.
• вогнетривкі глини - майже не містять домішок, плавляться при температурі вище 1580 градусів. Їх застосовують для виробництва вогнетривких матеріалів.

При виробництві керамічних виробів глини вводять різні добавки.

Заохочуючі добавки вводять у жирні глини. Вони зменшують кількість води замішування, скорочують розміри усадки при сушінні та випаленні, полегшують формувальний процес. До них відносяться кварцовий пісок, шамот (глина, обпалена до втрати пластичності), бій порцеляни та фаянсу, золу, мелені шлаки та ін.

Пороутворюючі добавки вводять у глини з метою зниження щільності та теплопровідності керамічних виробів. Вони одночасно є й охляючими добавками. По виду впливу на керамічний черепок розрізняють вигоряючі добавки (тирса, вугільний порошок, торф'яний пил тощо) і дисоціюючі – з виділенням газу, наприклад, СО2 (мелена крейда, доломіт та ін.).

Пластифікуючі добавки вводять у худі глини з метою підвищення їхньої пластичності. Наприклад, поверхнево-активні речовини СДБ (0,1. 0,3%), ЛСТ (лігносульфанат технічний) та інші речовини.

Плавні вводять у керамічні маси з метою зниження температури спікання. До них відносять склобій, польові шпати, перліт, крейда, доломіт, тальк та ін.

5.3. Стінові матеріали

До стінових керамічних матеріалів відносяться: цегла глиняна звичайна, пустотіла, профільна, керамічні камені.

Цегла – штучний камінь правильної форми, сформований з мінеральних матеріалів і набуває камнеподібних властивостей (міцність, водостійкість, морозостійкість) після випалу або обробки парою.

Глиняна цегла повинен бути у формі прямокутного паралелепіпеда з прямими кутами та ребрами, чіткими гранями та рівними лицьовими поверхнями (Рис. 5.1).

Мал. 5.1. Повнотіла глиняна цегла

Усі грані цегли мають бути плоскими, а ребра – прямолінійними. Одинарна керамічна цегла має стандартні розміри 250×120×65 мм. Властивості глиняної цегли:

• морозостійкість – встановлюється за кількістю циклів поперемінного заморожування та відтавання, які витримують зразки у водонасиченому стані без втрати маси та міцності. Марки морозостійкості: F15, F25, F35, F50, F75, F100, F200, F300;
• водопоглинання. Повинно перебувати в межах 6-16%, якщо цей показник знижується, цегла з глини стає важчою і підвищується її теплопровідність;
• середня густина становить від 700-1800 2400кг/м3;
• міцність на стиск/вигин цегли з глини зашифрована під літерою «М». Цифра показує, яке навантаження у кілограмах витримає 1 см2. М25, М35, М50, М75, М100, М125, М150, М200, М250, М300, М400, М500, М600, М800, М1000.

Крім нього, за ГОСТом виробляються такі різновиди керамічної цегли:

• одинарний – 250х120х65 мм;
• потовщений (полуторний) - 250 120 88 мм;
• подвійний (250×120×140 мм);
• євроцегла (250×85×65 мм);
• модульний (288 138 65 мм).

Маса цегли не повинна перевищувати 4 кг.

Ефективна цегла та керамічні камені - Випускаються порожнистими і пористо-пустотілими (поризовані камені). Застосування такої цегли та каміння дозволяє зменшити товщину стін та скоротити витрату матеріалів, а також знизити щільність та теплопровідність, тому його називають ефективним. Для отримання поризованої цегли в глиняну масу вводять добавки, що утворюють пороутворення (тирса, торф), які при випаленні згоряють і утворюють безліч пор.

Порожнечі можуть бути: горизонтальні, вертикальні, наскрізні, ненаскрізні, щілинні, циліндричні, квадратні (рис. 5.2).

Обсяг порожнеч у пустотілому цеглі 13 ... 33%; водопоглинання масою не менше 6%. Марки пустотілої цегли такі ж, як і у звичайної, марка по морозостійкості не менше F15.

З пустотілої цегли зводять зовнішні та внутрішні стіни будівель. З пустотілої цегли не можна робити цоколі, фундаменти та підземні споруди.

Кожен квадратний метр стіни з пустотілої цеглини на 200…300 кг легше, ніж зі звичайної. Це не тільки покращує теплозахисні властивості стіни, а й зменшує витрати основних будівельних матеріалів (цегли, цементу, сталі).

Залежно від розмірів камені можуть бути рядові (розміром 250 X 120 X 138 мм), що замінюють дві цеглини, модульні (250 X 138 X 138 мм) та укрупнені (250 X 250 X 138 мм).

Рис.5. 2. Керамічна цегла: а) потовщена); б) одинарний пустотний; в) подвійний (камінь) та модульний з горизонтальними порожнечами

5.4. Поняття про загальну технологічну схему виробництва цегли

Глиняну цеглу отримують з легкоплавких глин середньої пластичності, що містять 40-50% піску.

Основні етапи виробництва:

• видобуток глини та підготовка шихти – суміші матеріалів (руда, метал, вугілля, флюс) у певних пропорціях, що йде в плавку в металургійних печах;
• формування виробів;
• сушіння виробів (виготовляється в штучних сушарках при температурі 90˚С близько 20-50 годин);
• випалювання виробів (відбувається у спеціальних печах при температурі 900-1150˚С протягом 16-60 годин).

Існує два способи виробництва цегли: пластичний (методом екструзії) та напівсухий.

При пластичному способі формування спочатку готують глину (дроблять, видаляють шкідливі домішки, зволожують і перемішують із добавками). Далі відбувається формування єдиного пласта глиняної маси вологістю 18 - 25% на стрічкових пресах. Просуваючись через прес, маса видавлюється через спеціальний отвір екструдера (мундштука), який забезпечує виробам форму, товщину та ширину. Для отримання наскрізних отворів у порожнистій цеглині ​​у вихідну частину головки екструдера встановлюються спеціальні пристрої – керни. При виході з екструдера брус розрізається на окрему цеглу тонким сталевим дротом.

При напівсухому пресуванні використовуються тонші глини. Глинисту сировину має вологість 8-12%. Цегла-сирець формується поштучно на спеціальних пресах. Такий сирець не вимагає сушіння, його одразу після формування можна обпалювати.

Цікаво знати: Цегла. Сучасне виробництво глиняної цегли

Цікаво знати: Цегла. Сучасне виробництво глиняної цегли

Дефекти під час виробництва цегли.

Недопал (недопалена цегла) виходить за недостатньої температури випалу. Має яскраво-червоний колір і при ударі металевим предметом видає глухий звук. У такої цеглини знижена міцність, водо- та морозостійкість.Застосовується при кладці малонавантажених внутрішніх стін.

Перепал (перепалена цегла, залізняк) виходить за дуже високої температури. Цегла має підвищену масу, оплавлену поверхню та спотворену форму; колір його фіолетово-бурий. Його призначення – кладка у сирих місцях.

Недопал і перепал (Мал. 5.3) встановлюють шляхом порівняння кольору і водопоглинання цегли, що випробовується, із зразком – еталоном.

Мал. 5.3. Дефекти цегли

Висоли - білястий наліт, який утворюється в результаті осідання водорозчинних солей при випаровуванні вологи з цегли та розчину кладки. Висоли сприяють руйнуванню матеріалу (цегла покривається дрібними лускатими сколами), а також псують зовнішній вигляд кладки (Рис. 5.4).

Вапняні включення (дутики) - при дії вологи руйнують цеглу. Виникають при недостатній тонкощі подрібнення сировинної маси. У виробі можуть бути шматочки вапняку 1-5мм. При випаленні вони перетворюються на негашене вапно, яке при взаємодії з водою перетворюється на гашене вапно і збільшується в об'ємі в кілька разів (Рис. 5.5). Наявність дутиків визначається візуально під час пропарювання керамічних виробів.

Мал. 5.5. Вапняні включення

5.5. Керамічні вироби для облицювання фасадів

При пластичному способі формування немає поверхневих дефектів, вони однорідний колір (від білого до чорного), правильна форма, гладкі рівні лицьові поверхні. Для підвищення якості виробів глину вводять збагачувальні добавки. Ці цеглини застосовуються як для зовнішнього оздоблення будівель, споруд, так і для внутрішнього оздоблення стін, камінів.

До таких виробів належать: фактурна, фасонна, глазурована, клінкерна та ангобована цегла (Рис. 5.6).

Фактурна цегла одержують шляхом нанесення на межі цеглини малюнка.

Фасонна цегла має округлі кути та ребра, застосовується для кладки конструкцій складних форм (арок, колон).

Глазурована цегла – одержують за допомогою нанесення на обпалену поверхню глазурі, що складається з подрібненого скла або спеціальної глини, і випалюють вдруге при температурі менше 1000? В результаті поверхня цегли набуває склоподібного водонепроникного шару.

Ангобована цегла – на висушений сирець наносять спеціальне покриття (ангоб), що складається з 80-90% білого глини і 10-20% склобою, і обпалюють. Ця цегла має матову непрозору поверхню.

Клінкерна цегла – одержують з високоякісних тугоплавких глин з додаванням флюсів і склоподібного шамоту з наступним випалом до спікання при температурі більше 1250C і не менше 30 годин. Свою назву клінкерна цегла отримала завдяки звуку, що видається під час постукування цегли один про одного.

Мал. 5.6. Керамічні вироби для облицювання фасадів

5.6. Спеціальні види керамічних матеріалів

До спеціальних видів керамічних матеріалів відносяться вогнетривкі та кислототривкі матеріали, санітарно-технічні вироби та ін. Вогнетривкі матеріали у вигляді цегли та фасонних виробів застосовують для будівництва промислових печей та топок. Вони витримують температури до 1500-1700 градусів (необхідних у металургії, склоробстві, випаленні порцеляни) без найменших пошкоджень (Рис. 5.7).

До них належить шамотна цегла , До складу якого вводять до 70% шамоту (обпаленої вогнетривкої глини). Він має піщано-жовтий колір та зернисту структуру.

Мал. 5.7. Види вогнетривкої цегли

Лекальна цегла виготовляється у вигляді деталей різної форми, з плоскими ліжками та криволінійними бічними гранями, наприклад з вирізом у формі сегмента циліндра (Рис. 5.8). Застосовується при кладці колон, димових труб та інших частин споруд із криволінійними обрисами, щоб уникнути обтесування, що зменшує міцність цегли.

Мал. 5.8. Лекальна цегла

Кислотоупорна цегла виробляється з суміші, що складається з дуніту (гірська порода, що підвищує термостійкість) і чистих кислототривких, тугоплавких і вогнетривких глин, що спекається при температурі 1100 - 1200? Кислотоупорні вироби застосовують для футерування веж і резервуарів на хімічних підприємствах, для влаштування підлог та захисту стін у цехах з агресивними середовищами.

5.7. Зберігання та транспортування цегли

Упаковка. На піддонах вироби мають бути покладені або в «ялинку» (Мал. 5.9), або «на ребро» з перехресною перев'язкою (Мал. 5.10). Маса одного піддону має бути не більше 0,85т. Піддони цегли, укладені перехресною перев'язкою, повинні бути упаковані або металевою стрічкою за ГОСТом 3560, або термостійкою плівкою за ГОСТом 25951, або плівкою, що розтягується, за ГОСТом 10354.

Мал. 5.9. Укладання цегли в «ялинку»

Мал. 5.10. Перехресна перев'язка

Зберігання. Вироби повинні зберігатися на піддонах окремо за марками та видами в суцільних однострічкових штабелях в один ярус. Допускається встановлення піддонів один на одного не вище двох ярусів, а також зберігання виробів на рівних майданчиках з твердим покриттям в штабелях однострічкових без піддонів.

Навантаження та вивантаження пакети виробів повинні проводитися механізованим способом за допомогою спеціальних вантажозахоплювальних пристроїв.Завантаження виробів навалом та вивантаження їх скиданням не допускаються.

БЛОК САМОКОНТРОЛЮ

Для повторення та закріплення теоретичного матеріалу ознайомтеся:

«Які бувають види цегли? Характеристики та застосування цегли»

Презентація «Керамічні матеріали та вироби»

Керамічні та композиційні матеріали

Кераміка – це матеріал, що виходить у результаті спікання порошків мінеральних речовин.

Процес спікання здійснюється при нагріванні виробів, відформованих із порошків. В даному випадку вихідними матеріалами можуть бути окисли барію, ніобію, цирконію, глини, польовий шпат, тальк, карбіди, бориди, силіциди та нітриди. Під час випалу вихідні речовини взаємодіють між собою та утворюють аморфну ​​чи кристалічну фазу кераміки. Кристалічна фаза кераміки є кристалами розміром від 20 до 30 мікрометрів. Залежно від початкового складу кристали можуть бути окислами, сполуками оксидів або твердими розчинами. Аморфна фаза кераміки - скло, що за хімічним складом відрізняється від кристалів. Головне переваги кераміки полягає у високій жароміцності порівняно з відомими металами. Вона майже не піддається старінню, не дає залишкових деформацій під впливом навантажень. Крім того, керамічні матеріали вигідно відрізняються від металевих доступністю вихідної сировини, невеликою енергоємністю процесу виготовлення, гарною корозійною стійкістю, багатофункціональністю, низькою щільністю, біологічною сумісністю та стійкістю до дії радіації. Її недоліками є велика усадка при випаленні та крихкість. Керамічні матеріали мають водостійкість, хімічну стійкість і хороші електричні властивості. Вони використовуються у виробництві:

• нагрівачів для електричних печей,
• штампувального інструменту,
• безвольфрамових твердих сплавів,
• деталей для газових турбін,
• деталі для двигунів.

Залежно від складу кераміка ділиться на кисневу, яка складається з неметалевих матеріалів оксидів металів, та безкисневу, яка може бути карбідною, борідною, нітридною тощо. Найпоширенішими видами кераміки є:

1. Корундова кераміка на основі оксиду алюмінію. Даний вид кераміки використовується у виготовленні двигунів внутрішнього згоряння, високотемпературних печей, тиглів для плавлення металів, сопел, інструментів тощо.
2. Кераміка із оксиду магнію. Даний вид кераміки має стійкість до впливу шлаків різних металів, що зумовило її використання у виробництві тиглів і футерування печей. Основний недолік полягає в низькій термічній стійкості та леткості магнію.
3. Кераміка із оксиду цирконію. Даний вид кераміки застосовується за температури до 2200 градусів за Цельсієм. З неї виготовляються теплозахисні покриття для металів, конструкції ядерних реакторів. Основний недолік - токсичність та висока вартість.
4. Карбід кремнію. Цей вид кераміки використовується як абразивний матеріал, захисне покриття для графіту та у виготовленні нагрівальних стрижнів.
5. Кераміка із оксиду берилію. Даний вид кераміки застосовується в конструкціях ядерного реактора та виготовлення тиглів для плавки металу.

Композиційні матеріали на основі кераміки

Перспективний клас керамічних матеріалів - композити з матрицею на основі неорганічних полімерів, наприклад, азбесту або графіту, та кераміки. Оскільки складові таких матеріалів поширені у природі, їх виготовлення досить просто.Неорганічний матеріал дозволяє застосовувати як наповнювач високоміцні волокна, дисперсії, сітки, завдяки чому можна отримувати композиційні матеріали з необхідними характеристиками. За структурними ознаками керамічні композиційні матеріали поділяються на п'ять основних груп:

1. Гранулислостисті.
2. Дисперсні.
3. Шаруваті.
4. Армовані орієнтованими волокнами.
5. Армовані неорієнтованими полікристалічними волокнами.

Дисперсні керамічні композити складаються з частинок наповнювача рівномірно розподілених за обсягом матеріалу та матриці. В армованих наповнювач може бути розташований орієнтовано або довільно. В даному випадку як наповнювач застосовуються волокна металу і металевих сплавів. Високоміцні матеріали армуються дротом із берилію, титану, вольфраму та молібдену. Керамічні композиційні матеріали в більшості випадків одержують за допомогою порошкової металургії. За своєю структурою ці матеріали відрізняються різноманітністю. У шаруваті містяться компоненти, які розташовані у вигляді шарів різного складу, наповнювачем у них є металева фольга. Інші типи матеріалів отримують за допомогою пошарового розподілу металевого компонента та порошкової кераміки. Найпоширенішим прикладом керамічного композиційного матеріалу є кермет, що є гетерогенною композицією однієї або декількох фаз кераміки з металами.