Виды и характеристика сырьевых компонентов

Введение

Вид и способ его производства определяют цвет, форму, текстуру, прочность, огнеупорность, сопротивляемость погодным воздействиям и долговечность керамического кирпича. Если кирпич низкого качества, здание может обрушиться. Поэтому архитекторы и строительные подрядчики для оценки качества продукта должны знать методику производства керамического кирпича. Историк архитектуры также должен знать, каким образом качество строительного материала влияет на строительное сооружение. Невозможно обойтись и без понимания техник кладки – знания о том, как должен класться один кирпич по отношению к другому, какой вид придают комбинации разных цветов, какая текстура при этом возникает, и какие декоративные свойства кирпича определяют стиль, структуру и вид строительного сооружения.

Имеется два вида кирпичей: необожженные, высушенные под солнцем, и обожженные в обжиговой печи. Высушенные под солнцем глиняные кирпичи -сырцы (адоба) являются древнейшим и самым дешевым строительным материалом в истории человечества. Отложения глины находятся почти всегда именно там, где требуется соорудить необходимое строение, а для изготовления высушенных глиняных кирпичей не требуется никаких специальных знаний. Поэтому в более бедных странах мира адоба применяется до сих пор. Основная проблема кирпича -сырца заключается, однако, в том, что они подвержены влиянию дождя. От сильных дождей их не может защитить даже штукатурка.

В результате обжига кирпичи становятся водостойкими, но сам процесс обжига не так прост, как это кажется. Для производства прочного керамического кирпича недостаточно поместить его в обычный огонь, так как его температуры недостаточно. Для того чтобы кирпич достиг определенной степени спекания, он должен обжигаться от 8 до 15 часов при постоянной температуре от 900 до 1150 градусов Цельсия. Точная температура зависит от используемого сорта глины. В заключение керамические кирпичи должны медленно охлаждаться, чтобы не появилось трещин. Слишком слабо и кирпичи будут очень мягкие и крошатся: слишком сильно и кирпичи, наоборот, теряют при обжиге свою форму и сплавляются в стеклообразное вещество. Искусство занимающегося обжигом кирпичей специалиста заключается в его способности построить обжиговую печь, в которой при работе достигается и постоянно поддерживается требуемая температура.

Кирпичи состоят из глины, имеющей в зависимости от месторождения разное качество. Однако не требуется никаких специальных геологических знаний для того, чтобы определить, что какие-то отложения лучше подходят для производства керамических кирпичей, чем другие, и что одной глины недостаточно: необходимо добавлять песок и другие добавочные материалы. Доля глины в составе в значительной степени определяет качество керамического кирпича. Необожженные, высушенные на воздухе кирпичи состоят из глины, часто смешанной с соломой, чаще всего такие кирпичи имеют незначительное содержание глины (менее 30 процентов), некоторые терракотовые продукты содержат до 75 процентов глины. Для современных кирпичных заводов глина добывается из глубоких залеганий и тщательно смешивается с песком, однако в прошлом люди предпочитали разработку залежей на поверхности, в которых глина и песок уже присутствовали в определенной пропорции. В ранние времена изготовитель кирпичей проверял глину, пробуя ее на вкус. Наличие кирпичной глины или «кирпичной земли» имело огромное значение для принятия решения о проведении строительства в определенном регионе.

Когда обнаруживался подходящий сорт глины, глину добывали и подготавливали, то есть смешивали определенный состав и освобождали от камешков и других загрязнений. Ведь камешки затрудняли нарезку кирпичей, а при обжиге такие кирпичи могли даже лопнуть. После подготовки глина смешивалась с водой и формовалась.

По форматам керамические кирпичи различаются на квадратные и прямоугольные кладочные кирпичи. Форматы состоят из длины, ширины и толщины в миллиметрах. При этом речь идет исключительно о приблизительных размерах. Даже кирпичи, которые обжигаются одновременно, имеют из-за неточностей при формовании, сушке и обжиге отклонения по габаритам до 10 процентов. Поэтому приводимые данные дают только приблизительное представление о форме керамических кирпичей и не являются абсолютными.

Виды и характеристика сырьевых компонентов

Керамический кирпич является универсальным отделочно-конструкционным материалом с высокими архитектурно-декоративными свойствами. Прочность, долговечность, цветоустойчивость, высокие гигиенические и эстетические качества кирпича, доступность глинистого сырья позволили ему стать одним из самых распространенных и востребованных изделий.

Керамический кирпич производится из глины, добытой мелкой фракцией с постоянным составом минералов.

Необходимо, чтобы глины, используемые для производства кирпича, были чистыми, то есть без крупных каменистых включений, а также корней и других растительных остатков. Наиболее вредными являются включения известняка. Кроме того, глины должны быть пластичными, хорошо формоваться, изделия из них не должны давать при сушке трещин.

Для производства керамических кирпичей используют так называемые глинистые материалы – осадочные пластовые породы. Качество и состав сырьевой смеси является одним из главенствующих факторов, влияющих на потребительские свойства готового изделия - керамического кирпича.

Глинистое сырье разделяют по четырем основным показателям: спекаемость, пластичность, огнеупорность, связующая способность.

- по спекаемости определяют способность глинистых материалов уплотняться до получения прочного кирпича при заданной температуре обжига. При температуре спекания до 1100 С, глина классифицируется как низкотемпературная, от 1100 С до 1300 С – среднетемпературная, выше 1300 С – высокотемпературная.

- по пластичности глины подразделяют на непластичные, малопластичные, умереннопластичные, среднепластичные и высокопластичные. Классифицируют по данному показателю, определяя свойства смеси глины с водой, принимать заданную форму под воздействием механических нагрузок и впоследствии сохранять ее без изменения геометрических параметров и образования трещин.

- по огнеупорности классифицируют глинистые материалы, способные выдерживать различные температуры до наступления плавления. При начале данного процесса при температуре ниже 1350 С такие глины называют легкоплавкими, от 1350 С до 1580 С – тугоплавкими, свыше 1580 С – огнеупорные глины.

- по связующей способности характеризуют способность глинистого сырья сохранять свойства по пластичности при введении в состав смеси непластичных мелкодисперсных материалов. Такими материалами могут быть различные добавки и наполнители (например: полужирные глины, песок, шлак, шамот).

С целью повышения потребительских качеств, повышения эффективности производственных процессов, а так же для придания специфических свойств готовой продукции в состав смеси вводят различные (отощающие, порообразующие, пластифицирующие и др.) добавки. Для окрашивания керамического кирпича в его объеме используют неорганические пигменты и беложгущиеся глины. Для препятствования образованию высолов вводят барийсодержащие компоненты, соединяющие содержащиеся в глинистом сырье соли. С целью улучшения декоративных свойств и повышению стойкости поверхности облицовочного керамического кирпича применяют различные ангобы и глазури.

В процессе подготовки к производству глинистые материалы до получения формовочной массы подвергают очистке и тонкому измельчению, состоящему из нескольких стадий.

В зависимости от способа формования сырьевой массы разделяют основные виды керамического кирпича: экструзионный способ формования (пластический, полужесткий, жесткий и в т.ч. ручной способ), способ полусухого прессования (компрессионный) и литьевой (шликерный) способ.

Способ экструзионного формования позволяет получать керамический кирпич с наиболее высокими характеристиками по прочности и морозостойкости. Для производства могут применяться пластические, полужесткие и жесткие глинистые массы. В процессе формования сырья глинистая масса смешивается с добавками и вылеживается до образования полностью гомогенной структуры, исключающей образования пустот (излишней пористости). Далее под давлением вала винтового пресса глиномассу формируют в брус через головку пресса и формуют в необходимый размер и форму мундштуком экструдера. Наиболее распространенные дефекты в изделиях данного вида (трещины, геометрические параметры) возникают, в основном, от нарушений в подготовке сырьевой смеси. Так, например, при недостаточной пластичности массы возникают такие структурные дефекты как «свиль» и внутренние S-образные трещины. Немаловажным фактором в производстве строительной керамики данным способом является режимы сушки и обжига готового изделия. Набранная прочность и снижение влажности, достигаемые в процессе сушки обеспечивают возможность транспортировать керамическое изделие для дальнейшего качественного обжига.

Компрессионным способом изготовления называют производство керамических кирпичей, где заготовки получают из пресс-порошка в специальном прессе под высоким давлением, исключая процесс сушки. Данный способ изготовления позволяет получить изделия с высокими показателями по геометрическим размерам и гладкой поверхностью. Основным недостатком изделий полученных данным способом производства является низкая морозостойкость и, часто встречающиеся, горизонтальные трещины (т.н. трещины расслаивания).

Литьевой (шликерный) способ в производстве керамического кирпича в настоящий момент практически не применяется. В незначительных количествах данным способом изготавливают керамические изделия внутренней облицовки и отделки фасадов.

Глинистое сырьё. Отощающие, выгорающие добавки и плавни. Минералогический и гранулометрический состав глин. Влияние минералогического и гранулометрического состава на свойства изделий.

Термином «глина» обозначают тонкодисперсную фракцию горных пород, состоящих из глинообразующих минералов (водных алюмосиликатов) и примесей иных материалов, способную при затворении с водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства.
Глины образовывались в результате механического разрушения и химического разложения изверженных полевошпатовых и метаморфических горных пород (гранитов, гнейсов, порфиров, туфов и др.). Разрушение горных пород происходит под влиянием солнца, воды и резких перепадов температур, а химическое разложение вызывается действием воды и углекислоты на полевой шпат, в результате, чего образуется минерал каолинит — водный алюмосиликат Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Глины, состоящие в основном из каолинита, называются каолинами. Размер частиц каолина менее 0,01 мм. После обжига эти глины сохраняют преимущественно белый цвет. Каолины относят к первичным глинам.

Кроме каолинитовых, в природе встречаются гидрослюдистые глины, образованные в результате выветривания силикатных пород в условиях повышенной влажности, и бентонитовые, полученные в результате выветривания туфов, вулканических пеплов и др. Бентонитовые глины добывают на Гумбрайском, Аксанском, Черкасском, Оглалинском и других месторождениях. Гидрослюдистые легкоплавкие глины широко применяют в производстве строительной керамики, а бентонитовые — для изготовления фарфоровых изделий, промывочных растворов при бурении, обогащения железных руд, осветления жидкостей.
Глинистое сырье классифицируют по химико-минералогическому составу (глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые), по назначению (кирпичные, керамзитовые, фарфоро-фаянсовые и др.), по огнеупорности (огнеупорные, имеющие огнеупорность свыше 1580 °С, тугоплавкие — от 1350 до 1580 °С и легкоплавкие — до 1350 °С).
Пригодность глинистого сырья для производства того или иного вида изделий определяется его свойствами, зависящими от химико-минералогического и гранулометрического состава. Химический состав каолинитовых глин включает 39,5% Al₂O₃ (глинозема), 46,5% SiO₂ (кремнезема) и 14% H₂O (химически связанной воды). Вторичные глины состоят из оксидов кремния; алюминия, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия и солей, а также органических веществ и воды.

В глинах наиболее характерных видов содержится, %: кремнезема — 46—85, глинозема — 10—35, оксида железа — 0,2—10, оксида кальция — 0,03—6, диоксида титана — 0,2—1,5, оксида щелочных металлов — 0,1—6, сернистого ангидрида — 0—0,5. Потери при прокаливании составляют 8—14.
Кремнезем в глинах может находиться как в связанном состоянии, входя в состав глинообразующих минералов, так и в свободном, представленном примесями кварцевого песка. Сильно запесоченные глины обычно являются легкоплавкими. Они отличаются ухудшенными формовочными и обжиговыми свойствами, низкой пластичностью. Изделия из них имеют высокую пористость, малую механическую прочность и низкую морозостойкость.
Глинозем — основная часть глин. В составе глинообразующих минералов находится в связанном состоянии. С увеличением содержания глинозема в глинах повышается пластичность, огнеупорность и прочность изделий.
Диоксид титана в зависимости от соотношения с другими оксидами придает обожженным изделиям зеленоватую окраску.

Помимо оксида железа Fe₂O₃ в виде примесей в глинах могут присутствовать закись железа FeO, пирит Fe₂S, гидроксид железа и карбонат железа, которые после обжига придают изделиям красноватый оттенок.Закись железа FeO во время обжига изделий действует как плавень, а оксид железа Fe₂O₃ кристаллизуется в гематит или при взаимодействии с органическими примесями переходит в закись, оказывая, как и плавни, флюсующее действие и снижая огнеупорность глин. Это увеличивает опасность подвара изделий в процессе обжига в местах высоких температур (выше 1000 °С).
Оксиды кальция и магния находится в глинах в виде CaCOg и MgCO₃. Оксид кальция понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, снижает прочность и морозостойкость, повышает пористость. Оксид магния меньше влияет на качество керамических изделий.

Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, они понижаю

температуру обжига и повышают плотность и прочность изделий. Присутствие их в глинах ослабляет красящие свойства оксида железа и диоксида титана.
Органические вещества в глинах в виде остатков растений и гумусовых веществ снижают огнеупорность глин, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно, повышают воздушную усадку. С увеличением их содержания увеличивается пористость и снижается механическая прочность изделий.

Гранулометрический состав глин — процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе. Характеризуется большим разнообразием.
Размеры частиц легкоплавких глин, мкм:

Менее5..............8—60%
5-50...........6-55%
50-250........1-22%
Более 1000..............10%

Фракции с размером частиц 5—50 мкм относятся к пылевидным, от 50 мкм до 2 мм — к песчаным. Фракцию более 2 мм считают включениями.
Повышенное, содержание частиц размером менее 5 мкм придает глинам высокую пластичность и чувствительность к сушке, увеличивает усадку изделий при обжиге. Повышенное содержание пылевидной фракции в глинах повышает чувствительность к сушке и обжигу, снижает прочность изделий. Глины, содержащие крупнозернистый песок, менее чувствительны к сушке, чем глины, содержащие тонкодисперсный песок. Следовательно, зная гранулометрический и вещественный составы глин, можно ориентировочно определять их пригодность для изготовления керамических изделий того или иного вида.
Так, для тонкостенных и крупноразмерных керамических камней содержание фракций меньше 2 мкм должно быть в пределах 24—50%, фракций размером 2—20 мкм — 30—47%, более 20 мкм — 6—34%.
К основным технологическим свойствам глин относят пластичность, воздушную и огневую усадку, огнеупорность, спекаемость и цвет изделий после обжига.

Наиболее подходящими для производства кирпича являются глины средней пластичности (жирности). Кирпич из слишком жирных глин сохнет с трудом, имеет трещины и коробится. При использовании очень тощих глин кирпич получается с низкой прочностью и морозоустойчивостью. Для получения пластичного глиняного теста к ней добавляют воду. При этом для придания глине нормальной густоты количество воды должно быть оптимальным: если ее слишком много, получается жидкое глиняное тесто, из которого нельзя сформовать изделий, при малом количестве воды масса не приобретает нужной связности, будет рассыпаться. Нормальная густота – такое состояние глиняного теста, при котором оно легко формуется, но не прилипает к рукам.

Жирные, очень пластичные глины приобретают нормальную густоту при добавлении 30-40% воды, глины средней пластичности - при 20-30% и малопластичные глины - при 15-20% воды.

Качество глины можно определить на глаз по срезу. Высокопластичные глины имеют блестящий жирный срез, в состоянии нормальной густоты прилипают к ножу. Если поверхность среза матовая, ровная, без шероховатости, то это говорит о меньшей пластичности. Такие глины при производстве кирпича требуют добавки отощителя.

При небольшой пластичности срез бывает матовый, слегка шероховатый. Подобные глины и суглинки пригодны для производства кирпича без добавки отощителя. Для определения пластичности образцу глины придают нормальную густоту и из полученного теста делают шарики диаметром 4-5 см, жгутики длиною 15-20 см и толщиною 2 см. Шарики кладут на гладкую доску и сверху медленно надавливают дощечкой, пока они не сплющатся до половины толщины. Если на смятом шарике не появится трещин, значит глина пластична, если трещины появятся - глина малопластична. Шарики из очень тощей глины разваливаются на куски.

Жгутики обвивают вокруг деревянной палки диаметром около 3 см. Пластичные глины при этом не дают трещин и надрывов, тощие глины трескаются и распадаются. О пластичности глины свидетельствует также усадка образцов при сушке. Чем глина пластичнее, тем больше воды требует она для получения теста нормальной густоты и тем больше усадка ее при сушке (усушка).

Для определения усушки из глиняного теста нормальной густоты нарезают образцы небольшого размера. На свежесформованном изделии наносят черту. Затем образцы высушивают, измеряют нанесенную ранее черту и определяют так называемую линейную усадку, которая равна отношению разницы длины черт к длине черты свежесформованного кирпича.

Глины, усадка которых более 10%, - высокопластичны, от 8 до 10% - выше средней пластичности, от б до 8%' - средней пластичности и меньше 5% - тощие. Глины, имеющие 6-8% усушки являются наиболее пригодными. При большей усушке в глину нужно добавлять отощители. В качестве отощителей применяется песок с крупностью зерен 0,5-2 мм, просеянные или дробленые шлаки с крупностью не более 3 мм, а также опилки.

Наличие в глине каменистых включений определяют методом просеивания подсушенной глины или отмучиванием в воде пробы глины. Нежелательны включения размером более 3-4 мм. Наиболее вредны включения известняка. Для того чтобы выяснить, есть ли во включениях известняк, на остаток, полученный после просеивания или отмучивания, льют по каплям разбавленную соляную кислоту (10% раствор). Известняк вступает в реакцию с кислотой и растворяется в ней.

Глины, содержащие включения известняка, нельзя использовать для производства кирпича, поскольку при обжиге известняк превращается в известь, которая гасится под действием влаги воздуха, увеличивается в объеме и приводит к разрушению изделия.

Глину, намеченную для производства, необходимо подвергнуть испытанию, изготовив из нее пробные кирпичи. Для этого, выкопав на месте предполагаемой добычи глины шурф глубиною на всю толщу залегания глины, делают по высоте стенки шурфа борозду, собирая всю глину из борозды, и тщательно перемешивают ее. Затем, определив пластичность глины, устанавливают необходимость добавки отощителя. Добавив, если нужно, отощитель, глину замачивают, тщательно перемешивают и формуют из нее вручную несколько кирпичей, которые высушивают в помещении и обжигают на ближайшем кирпичном заводе.

Обожженный кирпич в итоге должен быть правильной формы, без трещин, при постукивании металлическим предметом издавать чистый звук, не размокать в воде. Полные испытания нужно производить в лаборатории завода.

Отощающие добавки.

В высокопластичные глины, для затворения которых требуется большое количество воды (до 28%) и которые поэтому дают большую линейную усадку при сушке и обжиге (до 15%), необходимо вводить отощающие добавки, т. е. непластичные вещества. При этом значительно уменьшается количество воды, необходимой для затворения глиняного теста, что сокращает усадку (до 2-6%).

В качестве отощающих добавок чаще всего применяют вещества неорганического происхождения: кварцевый песок, шамот (обожженная и измельченная глина), бой изделий, молотый шлак и золу. Эти добавки не только уменьшают усадку изделий, но и улучшают формовочные свойства массы, делают более легким технологический процесс производства и устраняют брак.