2.3.1. Классификация керамических материалов, их свойства
Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовляемые из глин или их смесей с минеральными и органическими добавками путем формования, сушки и последующего обжига при высоких температурах.
По структуре различают керамические изделия с пористым черепком (черепком в технологии керамики называют материал, из которого состоят керамические изделия после обжига) и со спекшимся черепком (плотным).
Пористыми условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка по массе превышает 5 % (в среднем 8 – 20 %): кирпич обыкновенный, пустотелый и легкий, черепица, пустотелые камни, облицовочные плитки и трубы.
Водопоглощение – это свойство материала при непосредственном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в своих порах. Водопоглощение выражают или степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему W0), или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение по массе Wм), %:
(2.2)
(2.3)
где m1, m2 – масса материала в сухом и насыщенном водой состоянии, [г];
V – объем материала в сухом состоянии, [см3].
Спекшимся считают черепок с водопоглощением < 5 % (чаще
2 – 4 %). Как правило, такой черепок практически водонепроницаем.
Водопроницаемость – это свойство материала пропускать через себя воду под давлением (характеризуется количеством воды, прошедшей через 1см2 материала за 1 час при постоянном давлении и при определённой толщине образца).
К плотным керамическим изделиям относят дорожный кирпич, плитки для полов и санитарный фарфор.
По конструктивному назначению различают керамические изделия:
1) для стен (стеновые материалы – кирпич и керамические камни);
2) для облицовки фасадов (лицевой кирпич, камни, плитки);
3) для внутренней облицовки стен и полов (плитки);
4) для перекрытий (пустотелые керамические камни);
5) для кровли (черепица);
6) для санитарных коммуникаций (трубы канализационные и дренажные, дорожный кирпич).
7) для теплоизоляции (легкий кирпич, фасонные изделия);
8) заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).
Сырьевую массу для изготовления керамических изделий составляют из пластичных глинистых материалов (глины, каолина) и непластичных материалов (отощающие и выгорающие добавки, плавни).
Отощающие добавки вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге с целью предотвращения деформаций и трещин в изделиях. Для этих целей используют шамот, шлаки, золы, кварцевый песок, пылевидный кварц.
Выгорающие (порообразующие) добавки вводят для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Порообразующие добавки в процессе обжига сырьевой массы либо выгорают (древесные опилки, угольный порошок), либо диссоциируют с выделением газа (например, СО2: молотый мел, доломит).
Плавни добавляют для понижения температуры спекания глины (тальк, полевые шпаты, доломит, магнезит, железная руда).
Для получения цветной керамики в сырьевую массу добавляют оксиды металлов (тонкие порошки кобальта, хрома, железа и т.д.).
2.3.2. Общая схема производства керамических изделий
Производство керамических изделий включает следующие этапы:
– подготовка сырьевой массы (для формования изделий);
– формование изделий;
– сушка изделий;
– обжиг изделий.
Для придания стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и определенного декоративного вида поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом.
Глазурь, нанесенную на поверхность керамического материала, закрепляют на ней обжигом при высокой температуре. Глазури могут быть различных цветов и при этом прозрачными и непрозрачными (глухими).
Ангоб изготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность сырца. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава (т.е. не образует стекловидного слоя), поэтому его поверхность получается матовой. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.
Способы формования керамических изделий:
1) пластическое формование (влажность изделий W = 15 ÷ 25 % и более);
2) полусухое прессование (W = 8 ÷ 12%; керамическая масса представляет собой пресс - порошок, увлажненный паром);
3) «сухое» прессование (W = 2 ÷ 8 %; изделия прессуют под большим давлением на специальных автоматических прессах);
4) литье (изготовление шликерным способом) – для этого измельченные исходные материалы смешивают с водой до получения шликера – однородной текучей массы (W = 40 ÷ 45 %); шликерный способ применяют в технологии фарфоровых, фаянсовых изделий и облицовочных плиток, а также при производстве лицевого кирпича.
2.3.3. Основные виды керамических изделий, применяемые в строительстве
1. Стеновые материалы
Несмотря на значительный объем выпуска железобетонных стеновых материалов (панели, крупные блоки) выпуск мелкоштучных изделий – а именно глиняного и пустотелого кирпича – составляет почти половину всех стеновых материалов.
Морозостойкость стеновых керамических материалов должна быть не менее Мрз 15, а кирпич строительный легкий должен иметь морозостойкость не менее Мрз 10.
По объемной массе в сухом состоянии стеновые материалы подразделяют на 3 группы:
– обыкновенный кирпич (γ0 > 1600 кг/м3);
– условно - эффективные (улучшающие теплотехнические свойства ограждающих конструкций; γ0 = 1400 ÷ 1600 кг/м3);
– эффективные, улучшающие теплотехнические свойства стен (позволяющие уменьшить их толщину по сравнению с толщиной стен, выполненных из обыкновенного кирпича; γ0 ≤ 1400 кг/м3 ).
А. Кирпич глиняный обыкновенный – искусственный камень, сформованный из глины и равномерно обожженный при t = 900 ÷ 1100° С.
Кирпич имеет форму прямоугольного параллелепипеда с ровными гранями и прямыми ребрами и углами и размер 250х120х65 мм. Модульный кирпич имеет размер 250х120х88 мм. Объемная масса кирпича
γ0 = 1600 ÷ 1900 кг/м3, теплопроводность 0,75 – 0,81 Вт/м·К.
Предел прочности кирпича на сжатие выражает его маркой (всего выпускают кирпич семи марок): М 75, 100, 125, 150, 200, 250 и 300. По морозостойкости кирпич подразделяют на 4 марки: Мрз 15, 25, 35 и 50.
Кирпич должен быть нормально обожжен, так как недожог (алый кирпич) неморозостоек и обладает недостаточной прочностью и водостойкостью. Пережженный кирпич (железняк) имеет искаженную форму, а также повышенную плотность, объемную массу и теплопроводность.
Кирпич должен удовлетворять требованиям стандарта по внешнему виду, а именно не иметь:
– отклонений от установленных размеров;
– искривления;
– отбитостей углов и ребер;
– наличия сквозных трещин, проходящих поперек кирпича.
Кирпич применяют для кладки наружных и внутренних стен, столбов, кладки печей и дымовых труб в зонах, где температура не превышает температуры обжига кирпича.
Кирпич полусухого прессования не допускается применять для кладки фундаментов и цоколей ниже гидроизоляционного слоя.
Б. Кирпич глиняный пустотелый – имеет сквозные круглые или щелевидные отверстия или пустоты (для кирпича полусухого прессования) различной формы, которые расположены перпендикулярно постели. Кирпич глиняный пустотелый имеет те же размеры (250х120х65 (88) мм. Объемная масса кирпича γ0 = 1000 ÷ 1400 кг/м3, марки – 75, 100, 125, 150, 200 и 300.
Пустотелый кирпич применяют наравне с кирпичом глиняным обыкновенным, за исключением кладки фундаментов, подземных частей стен, печей и дымовых каналов.
В. Стеновые крупные керамические панели для наружных стен выпускают двух- и однослойными размером на комнату. Двухслойная панель состоит из кирпича, утеплителя (пеностекла, минераловатных плит) и трех слоев цементно-песчаного раствора.
Г. Стеновые керамические пустотелые камниизготавливают марок 50, 75, 100, и 150; γ0 = 1400 кг/м3, длиной 250 ÷ 290, шириной 120 ÷ 90, толщиной 138 ÷ 288 мм с гладкими и рифлеными поверхностями, со сквозными или замкнутыми пустотами, расположенными перпендикулярно граням камней.
2. Облицовочные материалы и изделия
А. Кирпич лицевой и камни керамические лицевые отличаются от обыкновенных большей точностью формы и размеров, а также однородностью цвета и оттенка в данной партии (от белого, слегка кремового тона до красноватых и коричневых цветов); марки кирпича 75, 100 и 125. Разработана также технология двухслойного кирпича с лицевым слоем из белой глины.
Б. Плитки; керамические плитки выпускаются различных видов:
1. Ковровая керамика – представляет собой мелкоразмерные керамические плитки, глазурованные и неглазурованные. Заводы выпускают мозаичные плитки с наклейкой их лицевой стороной на плотную бумагу, в результате чего образуется ковер. Плитки выпускают квадратной и прямоугольной формы со стороной от 22 до 125 мм. Ковровая керамика – один из наиболее индустриальных керамических материалов.
2. Фасадные малогабаритные плитки выпускают неглазурованными и глазурованными разных размеров и назначения. Плитки типа «кабанчик» размером 12х65х7мм по технологии изготовления во многом сходны с коврово-мозаичной плиткой.
3. Крупные фасадные плитки размером 250х140х10 мм также изготовляют неглазурованными и глазурованными из беложгущихся тугоплавких или огнеупорных глин. Их применяют для облицовки фасадных поверхностей.
4. Цокольные глазурованные плитки (ими облицовывают поземные переходы) размером 150х75х7 мм являются изделиями штучного прислонного крепления. Их изготавливают со спекшимся черепком и покрывают глазурью.
5. Плитки для облицовки внутренних стен выпускают 28 типоразмеров (например: 150х150 мм) глазурованными. Их водопоглощение должно быть не более 16 %. Их применяют для внутренней облицовки стен в санузлах, кухнях, банях, прачечных пищевых и химических предприятий, станций метрополитена.
6. Керамические плитки для полов изготовляют из глиняной массы со стороной от 50 до 150 мм, толщиной 10 – 13 см.
К преимуществам полов из таких плиток можно отнести их:
а) водонепроницаемость;
б) малую истираемость;
в) полы из керамических плиток не пылят;
г) легко моются;
д) долговечны;
е) стойки к действию кислот и щелочей.
К недостаткам полов из керамических плиток можно отнести их:
а) хрупкость;
б) высокую теплопроводность;
в) высокую трудоемкость их устройства.
3. Керамические материалы и изделия различного назначения
Глиняная черепица – старейший вид кровельных материалов. Черепица может иметь красновато - розовую или светло желтую окраску; для ее производства используют глины типа кирпичных. Специальные виды черепицы покрывают глазурью различных тонов. Достоинством черепицы является ее долговечность и огнестойкость. К недостаткам можно отнести большую массу покрытия (до 65 кг/м2), хрупкость, необходимость устройства большого уклона (более 30°) для быстрого стока воды, а также высокую трудоемкость устройства кровли.
Керамические трубы (канализационные) – применяют для отвода сточных вод на химических заводах, внутренний диаметр составляет
150 ÷ 600 мм, длина 800 ÷ 1200 мм. Поверхность труб внутри и снаружи покрывают кислотоустойчивой глазурью.
Дренажные трубы – применяют для осушения грунтового основания под зданиями и сооружениями. Выпускают такие трубы с внутренним диаметром 25 ÷ 250 мм, длинной 500 мм неглазурованными и глазурованными с перфорацией на стенках.
Санитарно-технические изделия изготавливают из фаянса, фарфора и полуфарфора. Формируют их методом литья. Изделия из фаянса (унитазы, умывальники, сливные бачки) имеют пористый черепок с водопоглощением 10 – 12 % и δ сж = 100 МПа. Их покрывают глазурью.
Полуфарфор имеет спекшийся черепок (W = 3 – 5 %, σсж = 150 ÷ 500 МПа).
Фарфор еще более плотный (W = 0,2 – 0,5 %, σсж до 500 МПа). Это позволяет изготовлять их него тонкостенные изделия.
Керамзит – входит (как и ячеистые штучные изделие и легкий кирпич) в группу теплоизоляционных керамических изделий. Керамзит– ячеистый материал в виде гравия или щебня с γ0 = 150 – 800 кг/м3, водопоглощением 15 – 25 %, Мрз 15 (не менее), δ сж = 0,3 – 5,5 МПа. Керамзит используют как заполнитель для легкого бетона и железобетона, а также в качестве теплоизоляционных засыпок.
Кислотоупорные керамические изделия (кирпич, плитки, трубы, различная аппаратура и ее детали, сосуды, насосы, мельницы,сифоны). Кирпич и кислотоупорную плитку для полов применяют для устройства полов в цехах с агрессивными средами Wкирпича ≤ 12 %, δ сж =15 ÷ 40 МПа, кислотостойкость ≥ 92 %.
Кирпич для дорог (клинкерный) выпускают марок 400, 600 и 1000,
Мрз 30 – 100, W = 2 – 6 %. Его применяют для мощения полов промышленных зданий, дорог и т. д.
Огнеупорные материалы (корундовые, динасовые, шамотные, хромитовые и т. д.). Эти материалы обладают следующим важными свойствами:
• огнеупорностью (свыше 1580° С);
• прочностью под нагрузкой при высокой температуре;
• термостойкостью;
• газонепроницаемостью;
•постоянством объема и формы.