Строительная керамика

1. Общие сведения о строительной керамике

Керамическими называют каменные изделия, получаемые из минерального сырья путем его формования и обжига при высоких температурах, в результате которого сырье необратимо переходит в прочное, водостойкое состояние.

Термин «керамика» происходит от греческого слова «керамейя», которым в Древней Греции называли искусство изготовления изделий из глины. Керамика, пожалуй, является первым искусственным строительным материалом, полученным человечеством. Возраст керамического кирпича как строительного материала превышает 5000 лет.

В современном строительстве керамические изделия применяют почти во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды:

• стеновые изделия (кирпич, пустотелые камни и блоки);
• кровельные изделия (черепица);
• элементы перекрытий;
• изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, наборные панно, архитектурно-художественные детали);
• изделия для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали к ним — карнизы, уголки, пояски);
• заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит);
• теплоизоляционные изделия (перлитокерамика, ячеистая керамика, диатомитовые и др.);
• санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы);
• плитка для пола;
• дорожный кирпич;
• кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним);
• огнеупоры;
• изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы).

По структуре керамические материалы подразделяются на пористые, имеющие водопоглощение по массе более 5 %, в среднем 8…20 % (стеновые, кровельные и облицовочные материалы и др.), и плотные, имеющие водопоглощение по массе менее 5 % (плитки для пола, дорожный кирпич, некоторые виды труб и др.).

2. Сырьевые материалы

Сырьевые компоненты для производства керамических материалов подразделяются на пластичные и непластичные. В качестве пластичных компонентов используются глины, в качестве непластичных — добавки, которые вводятся для регулирования различных свойств как формовочной массы, так и готовых изделий.

ГЛИНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глина — это осадочная горная порода тонкоземлистого строения, способная при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние.

Важным свойством глин является их гранулометрический (зерновой) состав. В зависимости от размера частиц в глину входят различные фракции. Глинистые вещества — это частицы чешуйчатой формы, которые имеют размер менее 0,005 мм. Частицы пыли имеют размер от 0,005 до 0,16 мм, песка — от 0,16 до 2 мм, более крупные частицы называются каменистыми включениями. Соотношение между входящими в состав глин фракциями влияет на основные свойства глин (будут рассмотрены ниже) как сырья для производства керамических материалов.

Другая важная характеристика глин — химический состав, куда входят различные глинистые минералы, основным из которых является каолинит Al2O3 2SiO2 2H2O. Помимо этого в глины могут входить родственные ему минералы: галлуазит Al2O3 2SiO2 4H2O, монтмориллонит Al2O3 4SiO2 nH2O и др. В качестве примесей в глине могут находиться: кристаллический кремнезем SiO2, карбонаты кальция CaCО3, соединения железа Fe(OH)2, Fe2O3, оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O) и др.

СВОЙСТВА ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ

Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее рядом физических, физико-химических и химических свойств, в совокупности называемых керамическими.

Пластичность — свойство глиняного теста деформироваться под нагрузкой без образования трещин и разрывов и сохранять приданную форму после снятия нагрузки.

При смачивании сухой глины молекулы воды втягиваются между чешуйчатыми частицами глинистого вещества, расклинивают их, образуют на поверхности частиц гидратную оболочку и вызывают набухание глин. Гидратные оболочки выполняют роль смазки, облегчающей скольжение частиц глины.

Пластичность зависит от содержания в глине глинистого вещества и от размеров частиц. Чем выше содержание глинистого вещества и мельче частицы, тем более пластична глина. По степени пластичности глины делятся: на высокопластичные, водопотребность которых более 28 %; среднепластичные, имеющие водопотребность 20…28 %, и малопластичные с водопотребностью менее 20 %.

Связанность — усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Высокой связанностью обладают глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций.

Связующая способность — способность глин в увлажненном состоянии легко перемешиваться с непластичными материалами и при высыхании связывать их в достаточно прочное изделие — сырец.

Воздушная усадка — уменьшение линейных размеров и объема глины при высыхании. В процессе сушки вода испаряется, толщина водных оболочек вокруг глинистых частиц сокращается и отдельные частицы глины сближаются между собой. Воздушная усадка связана с пластичностью глин: чем выше пластичность, тем больше воздушная усадка. Высокопластичные глины имеют воздушную усадку 10…15 %; среднепластичные — 7…10 % и малопластичные — 5…7 %.

Огневая усадка — уменьшение линейных размеров и объема глины при обжиге. В процессе обжига наиболее легкоплавкие соединения глины переходят в расплав, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, заполняет промежутки между ними и за счет действия сил поверхностного натяжения жидкой фазы вызывает сближение частиц. Огневая усадка составляет 2…6 %.

Полная усадка — сумма воздушной и огневой усадок.

НЕПЛАСТИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Как уже отмечалось выше, эти материалы вводятся в качестве добавок для регулирования свойств как глинистого сырья, так и готовых изделий.

Отощающие добавки — вводятся для снижения пластичности глин и, как следствие, для уменьшения воздушной усадки. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, золу ТЭС, измельченные гранулированные шлаки, природный песок.

Шамот — предварительно обожженная и измельченная до требуемых размеров (менее 2 мм) глина. Дегидратированная глина — это глина, обожженная при температуре 500…600 °С. При этой температуре из глинистых минералов удаляется химически связанная вода и глина необратимо теряет свойства пластичности.

Пластифицирующие добавки — вводятся для улучшения пластичности глин. Для этих целей используют высокопластичные глины, поверхностноактивные вещества, электролиты.

Выгорающие добавки — вводятся в формовочную массу с целью получения высокопористых изделий: древесные опилки, молотый уголь, торф, лузга и др. Эти добавки одновременно являются и отощающими.

Плавни — вводятся с целью снижения температуры спекания и, как следствие, экономии топливно-энергетических ресурсов. Под спеканием подразумевается появление частичного расплава сырьевой смеси в процессе обжига. В качестве плавней используются полевые шпаты, доломит, магнезит и др.

Для придания повышенной стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и определенного декоративного вида поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом.

Стекловидный слой глазури, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепляют обжигом. Глазури могут быть прозрачными и непрозрачными различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури являются кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, различные оксиды и др.

Ангоб изготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность еще не обожженного изделия. В отличие от глазури ангоб при обжиге не плавится, поэтому поверхность получается матовой. По своим свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

3. Общая схема производства керамических изделий

Керамические материалы и изделия, которые выпускает промышленность, имеют разнообразные размеры, форму, физико-механические свойства и различное назначение, но основные этапы технологического процесса их производства примерно одинаковы и складываются из добычи сырьевых материалов, их транспортировки на завод, подготовки сырьевой массы, формования изделия (сырца), сушки и обжига.

ДОБЫЧА И ДОСТАВКА ГЛИНЫ

Глину для производства керамических материалов и изделий добывают в карьерах, обычно расположенных в непосредственной близости от завода. Для добычи используют одно- или многоковшовые экскаваторы, возможно также применение средств гидромеханизации. На завод глину доставляют по рельсовым путям в вагонетках с опрокидывающимся кузовом, автосамосвалами, ленточными транспортерами, вагонетками канатной дороги и другими видами транспорта.

ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВОЙ МАССЫ

Добытая в карьере и доставленная на завод глина в естественном состоянии обычно непригодна для формования изделий. Необходимо разрушить природную структуру глины, удалить из нее вредные примеси, измельчить или убрать крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить ее, чтобы получить удобоформуемую массу. Для этой цели используют различные механизмы: вальцы, дезинтеграторы, бегуны, глинорезки, глиномялки, мешалки и др. Эти механизмы будут рассмотрены ниже.

Глину обрабатывают полусухим, пластическим и мокрым способами. Выбор того или иного способа зависит от свойств сырьевых материалов, состава керамических масс и способа формования изделий, а также от их размеров и назначения.

При полусухом (сухом) способе сырьевые материалы высушивают, дробят, размалывают и тщательно перемешивают. Сушат глину обычно в сушильных барабанах, дробят и размалывают в бегунах сухого помола, дезинтеграторах или шаровых мельницах, а смешивают в лопастных мешалках. Влажность пресспорошка составляет 8…12 % (4…6 %). Увлажняют пресспорошок водой или паром.

Полусухой способ применяют в производстве строительного кирпича полусухого прессования, плиток для полов, облицовочных плиток и др.

При пластическом способе сырьевые материалы смешивают при естественной влажности или с добавлением воды до получения глиняного теста влажностью 18…25 %. Для измельчения и переработки сырьевых материалов применяют вальцы и бегуны различных типов, а для перемешивания — глиномешалки.

Пластический способ подготовки сырьевой смеси широко применяют в производстве керамического кирпича пластического формования, керамических камней, черепицы, труб и других видов строительной керамики.

При мокром (шликерном) способе сырьевые материалы предварительно измельчают в порошок, а затем тщательно смешивают в присутствии большого количества (более 40 %) воды, получая однородную текучую массу (шликер). Этот способ применяют при производстве фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток и др.

ФОРМИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ

Формуют керамические изделия различными способами: пластическим, полусухим, сухим и мокрым. Выбор способа формования зависит от вида изделий, а также от состава и физико-механических свойств сырья.

Пластический способ формования является наиболее распространенным в производстве обыкновенного и пустотелого кирпича, керамических камней и блоков разного назначения, черепицы, облицовочных плит и других изделий. При этом способе формования подготовленную глиняную массу влажностью 18…25 % направляют в приемный бункер ленточного пресса. При помощи шнека масса

дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное отверстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мундштук, можно получать брус различной формы и размеров. Так, например, при формовании кирпича он имеет прямоугольное сечение. Непрерывно выходящий из пресса брус разрезается на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий автоматическим резательным устройством. Современные ленточные прессы снабжены вакуумными камерами, в которых из глиняной массы частично удаляется воздух. Вакуумирование массы повышает ее пластичность и уменьшает формовочную влажность, сокращает длительность сушки сырца и одновременно повышает его прочность.

Полусухой способ формования получил широкое распространение на современных заводах при производстве облицовочных плиток, плиток для полов и других тонкостенных керамических изделий. Этим способом можно изготовлять кирпич и другие изделия из малопластичных глин, что расширяет сырьевую базу производства изделий строительной керамики. Кроме того, существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим — применение глиняной массы с меньшей влажностью (8…12 %), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца.

При полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на высокопроизводительных прессах различной конструкции, обеспечивающих двустороннее прессование в формах глиняного порошка под давлением более 15 МПа.

Сырец полусухого прессования имеет четкую форму, точные размеры, прочные углы и ребра. Прочность его вполне достаточна для последующей погрузки и транспортирования на сушку и обжиг.

Сухой способ формования применяют главным образом для изготовления плотных керамических изделий, например, плиток для полов, дорожного кирпича. Сырьевой массой для прессования изделий служит глиняный порошок влажностью от 4 до 6 %. Отформованный сырец не требует сушки, что экономит топливно-энергетические ресурсы.

Мокрый способ формования применяют для изготовления санитарно-технического фаянса, мозаичной плитки и др. При этом способе глиняную массу влажностью более 40 % заливают в специальные пористые формы.

СУШКА ИЗДЕЛИЙ

Отформованные изделия (сырец) необходимо сушить, чтобы снизить их влажность до 8…10 %. За счет сушки повышается прочность сырца, а также предотвращается растрескивание и деформация его в процессе обжига. Сушка может быть естественной (в сушильных сараях) и искусственной (в специальных сушилках).

Естественная сушка не требует затрат топлива, но продолжается очень долго (10…15 сут) и зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Кроме того, для естественной сушки требуются помещения с большой площадью. В настоящее время на крупных заводах, как правило, производят искусственную сушку сырца в сушилках периодического или непрерывного действия.

Сушилки периодического действия представляют собой отдельные камеры, в которых на стеллажных полках размещают сырец. Подают сырец в камеры на тележках. В камерных сушилках все операции по загрузке, сушке и выгрузке сырца повторяются через определенные промежутки времени.

Сушилки непрерывного действия представляют собой туннели, в которых сырец, уложенный на вагонетках, постепенно проходит различные зоны по температуре и влажности и высушивается.

Сушат сырец в камерных и туннельных сушилках по режиму, выбранному для данного вида изделия, с учетом использованного сырья. В качестве теплоносителя в сушилках применяют дымовые газы обжигательных печей, а также газы, получаемые в специальных топках. Тонкую керамику сушат горячим воздухом из калориферов. Длительность искусственной сушки сырца составляет от одних до трех суток.

ОБЖИГ ИЗДЕЛИЙ

Обжиг является завершающим этапом технологического процесса производства керамических изделий. Процесс обжига можно условно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение обожженных изделий.

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает сложные физико-химические изменения.

При плавном подъеме температуры до 100…120 °С из глины удаляются остатки свободной влаги и керамическая масса становится непластичной, но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500…700 °С выгорают органические примеси и из глинистых минералов удаляется химически связанная вода, при этом керамическая масса безвозвратно теряет свойство пластичности. При температуре 700…900 °С происходит разложение безводных глинистых минералов и образуется аморфная смесь глинозема Al2O3 и кремнезема SiO2. При дальнейшем повышении температуры до 1000…1300 °С идут реакции в твердой фазе и образуются искусственные минералы, например силлиманит (Al2O3SiO2) и муллит (3Al2O32SiO2). Одновременно с этим наиболее легкоплавкие соединения керамической массы переходят в расплав, создавая некоторое количество жидкой фазы. Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, заполняет пустоты между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает частицы. После остывания образуется твердый камнеподобный черепок.

Максимальная температура обжига керамических изделий зависит от состава глин. Обжиг изделий из легкоплавких глин производят при температуре 900…1000 °С, из тугоплавких и огнеупорных — при температуре 1200…1400 °С.

Керамические изделия обжигаются в печах периодического или непрерывного действия с использованием твердого (уголь), жидкого (мазут) или газообразного топлива.

Печи периодического действия представляют из себя камеры, в которые загружаются на стеллажах отформованные и высушенные изделия, после чего начинается плавный подъем температуры, которая доводится до требуемого максимума, затем происходит выдержка изделий при максимальной температуре и плавное ее снижение.

Печи непрерывного действия имеют различную конструкцию. Кольцевые печи имеют обжигательный канал эллипсовидной формы, перекрытый полуциркулярным сводом. Обжигаемые изделия загружаются в канал и остаются неподвижными, а температурные зоны перемещаются относительно обжигаемого материала. Туннельные печи имеют прямолинейный канал, по которому медленно перемещаются вагонетки с уложенными на них изделиями, которые последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения.

В щелевых печах керамические изделия, уложенные в один ряд по высоте, медленно движутся в обжиговом канале по роликовому или иному конвейеру. В таких печах обеспечивается равномерность обжига, сокращается его продолжительность и уменьшается расход топлива.

СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Стеновые керамические изделия предназначены для кладки и облицовки несущих и самонесущих стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков. Их изготовляют в виде правильного параллелепипеда. В зависимости от размеров их подразделяют на виды, указанные в табл. 1. Кирпич изготавливают полнотелым и пустотелым, камень — только пустотелым. Пустоты в изделиях могут быть сквозными или несквозными, располагаться они могут перпендикулярно (вертикальные) или параллельно постели (горизонтальные). По способу формования изделия стеновой керамики подразделяют на изделия, получаемые пластическим формованием и полусухим прессованием. В соответствии с нормативными документами стеновые изделия подразделяют на рядовые и лицевые. Рядовые предназначены для обеспечения эксплуатационных характеристик кладки, лицевые изделия кроме обеспечения эксплуатационных характеристик кладки выполняют функции декоративного материала.

Таблица 1

Номенклатура и номинальные размеры стеновых изделий

По прочности кирпич подразделяют на марки М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300; крупноформатные камни — М35, М50, М75, М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300; кирпич и камень с горизонтальными пустотами — М25, М35, М50, М75, М100.

По морозостойкости кирпич выпускается четырех марок: F15, F25, F35, F50.

По средней плотности изделия подразделяют на классы 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 2,0, которые должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 2.

Таблица 2

Классы стеновых изделий по средней плотности

В зависимости от теплопроводности и класса по средней плотности стеновые изделия подразделяют на группы, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Группы изделий по теплотехническим характеристикам

К кровельным керамическим материалам относят черепицу. Она должна обладать высокой долговечностью, водонепроницаемостью, устойчивостью к действию различных атмосферных факторов и эстетичностью, иметь однородную структуру на изломе и предел прочности на излом в сухом состоянии не менее 7 МПа, массу 1 м² кровли не более 45 кг, а также обладать морозостойкостью не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания, водопоглощением не более 10 % по массе.

Фасадные керамические плитки применяют для облицовки фасадов и цоколей зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, подземных переходов.

Основными показателями, характеризующими качество фасадных плиток, являются морозостойкость, водопоглощение, точность геометрических размеров и внешний вид. Морозостойкость рядовых плиток толщиной более 9 мм должна быть не менее 35 циклов, толщиной менее 7 мм — не менее 40 циклов при водопоглощении до 12 %. Для плиток специального назначения морозостойкость должна превышать 50 циклов, а водопоглощение допускается не более 5 %.

Плитки для полов могут быть неглазурованными и глазурованными, одно- и многоцветными, с гладкой, шероховатой (тисненой) или рифленой лицевой поверхностью. По форме плитки бывают квадратные, прямоугольные, треугольные, четырех-, пяти-, шести и восьмигранные, фигурные. Водопоглощение их должно быть не более 3,8…5 %, истираемость не более 0,07…0,06 г/см².

Плитки для внутренней облицовки предназначены для облицовки внутренних поверхностей стен и перегородок. Они отличаются по форме, фактуре и виду материала, образующего фактурный слой (50 типов). Керамические плитки должны иметь водопоглощение не более 16 %, предел прочности при изгибе не менее 15 МПа, а глазурное покрытие должно обладать термостойкостью не менее 150 °С и твердостью не менее 5 по шкале Мооса.