В ходе сушки и обжига отформованного керамического изделия протекают процессы, вызывающие изменение его объема – чаще всего усадку (реже рост) [2, 7−9]. Поэтому во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге изделие необходимо высушить до содержания влаги ≤ 5 %. Сушка керамических изделий может проходить как в естественных условиях − на стеллажах, так и в принудительных − в сушильных шкафах и сушилах. Если скорость сушки велика, то даже малочувствительные к сушке массы в толстостенных изделиях могут образовывать трещины из-за того, что внутренние, еще сырые слои материала не дадут возможность усесть внешним слоям без разрыва поверхности, т. е. без трещин.
Величина усадки выражается в долях изменения объема или линейных размеров образца [8]. В первом случае изменение называют объемной, а во втором – линейной усадкой [8]. Оба вида усадки подразделяются на [8]:
- воздушную усадку – изменение размеров свежесформованного образца, происходящее при сушке и выражающееся в процентах от начальных размеров;
- огневую усадку – изменение размеров образца в процессе обжига в процентах от размеров высушенного образца;
- общую (или полную) усадку – изменение размеров образца, происходящее в результате сушки и обжига, выраженное в процентах от размеров свежесформованного образца.
Воздушная усадка образцов происходит вследствие испарения влаги [8, 9]. При высушивании происходит сближение глинистых частиц по мере испарения расположенных между ними водных прослоек [9]. Величина воздушной усадки прямо пропорциональна пластичности глин, и по ее значениям можно косвенно судить о сушильных свойствах глинистого сырья: чем больше усадка, тем чувствительнее глина к сушке [2]. Величина усадки зависит от содержания влаги в материале, которая вносится в материал на стадии приготовления материала, при приготовлении пресс-порошков или со связующим. Метода изготовления изделия также влияет на величину усадки.
При обжиге керамических изделий происходят более глубокие химические и физические процессы, которые обуславливают образование и соотношение новых фаз, размер, форму и взаимное расположение структурных элементов, изменение массы и объема керамики [9]. Огневая усадка может иметь отрицательное значение, то есть при обжиге объем образца может увеличиться [9]. Такое поведение наблюдается для суглинков и тонких закварцованных глин в результате полиморфных превращений кварца [9].
Воздушная и огневая усадки позволяют оценить поведение керамики в процессах сушки и обжига с точки зрения появления трещин, деформаций [9]. Определение усадок необходимо в керамической и в огнеупорной промышленности для расчета размеров мундштуков и прессформ с целью получения изделий с точно заданными размерами [8, 9].
Усадку измеряют по изменению расстояния между метками, нанесенными штангенциркулем на поверхность свежесформованного образца или по изменению линейных размеров образца [8, 9]. В первом случае сразу после формования по диагонали образцов острыми концами штангенциркуля, разведенного на 50 мм, ставят метки на глубине 2−3 мм [2, 8, 9]. Затем образцы высушивают и тем же штангенциркулем замеряют расстояние между метками [8, 9]. Во втором случае измеряют линейные размеры (высота, ширина, длина, диаметр). Высушенные образцы обжигают и снова проводят измерения, аналогично тому, как это делалось после сушки [8, 9]. Измерение ведут с точностью до 0,05 мм [9].
Расчет усадки (%) производится по следующим формулам [2, 8, 9]:
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
, (7)
На практике допускается линейную огневую усадку отдельно не рассчитывать, а определять ее по разности между полной и воздушной усадкой [2, 8, 9]:
l огн = l общ – l возд, (8)
Вследствие действия различных факторов усадка не постоянная, она колеблется. За окончательную величину любого вида усадки принимают среднее арифметическое из величины усадки всех образцов, высушенных или обожженных при той или иной температуре [8]. Результаты определения записывают в лабораторный журнал [2, 8]. По результатам испытания можно построить график зависимости огневой усадки от температуры обжига, который может быть использован при выборе оптимального режима обжига [9]. Обожженные образцы используют для определения других свойств глин [2, 8].
Определение водопоглощения керамических образцов. Водопоглощение обожженных образцов может служить как самостоятельной характеристикой керамического черепка, определяющей его пористость, прочность, так и величиной для изучения процесса спекания масс [2].
Данная характеристика для огнеупоров определяется в соответствии с ГОСТ 2409−95 [5], для керамического кирпича ГОСТ 7025−91 [4]. Максимальное значение водопоглощения для керамического кирпича установлено на уровне 6 %. Результаты испытаний заносят в протокол. Каждая партия поставляемых производителем (или поставщиком) керамических строительных изделий должна сопровождаться документом о качестве, в котором обязательно указывается значение водопоглощения [4].
Водопоглощение определяют при насыщении образцов водой температурой 20 ± 5 °С при атмосферном давлении [4]. Водопоглощение W рассчитывается как отношение массы воды, поглощенной изделием при полном насыщении к массе сухого изделия:
W = (m вл – m сух)∙100%/ m сух.
Полученное значение заносится в журнал с точностью до первого десятичного знака. По значению водопоглощения устанавливают температуру спекания обожженного образца [2]. Образец считается спёкшимся, если W < 5 % [2].
Изделия со спекшимся черепком, имеющие водопоглощение < 1 %, называют каменными керамическими [2]. Тонкие керамические изделия в зависимости от значения W делят на фарфоровые, полуфарворовые (плотные) и фаянсовые (пористые). Фарфоровые изделия характеризуются плотным спекшимся непроницаемым для воды и газов черепком, просвечивающимся в тонком слое с W < 0,5 % [2]. Полуфарворовые изделия имеют плотный не просвечивающийся в тонком слое черепок с W < 5 % [2]. Фаянсовые изделия с тонкозернистым и пористым черепком имеют водопоглощение до 12 % [2].