Сырьевые материалы

Основные виды изделий строительной керамики

Основное сырьё - глины и отощающие материалы.

Глины - землистые минеральные массы, способные с водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее после высыхания приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня.

Глины - осадочные горные по­роды, образовавшиеся в результате вы­ветривания и химического разложения извер­женных и метаморфических горных пород; они представляют смесь минеральных частиц различной крупности и в разных количест­венных соотношениях; кроме минералов гли­нистого вещества, в их составе обычно при­сутствуют примеси кварца (песка), неразложившегося полевого шпата, известняка, железистые, органические и другие ве­щества.

Зерновой состав глин. Глинистым веществом, или собственно глиной, принято считать фракцию с размером зерен менее 0,005 мм. Наряду с этими фракциями, в гли­не обычно присутствуют более крупные — пыль и песок.

В зависимости от содержания глинистых и песчаных составных частей глинистые породы подразделяются на следующие виды.

Классификация глинистых пород по зерновому составу

Наименование глинистых пород	Содержание частиц в %
глинистых	пыли и песка
Глины…………………………………...	60 – 30	40 – 70
Суглинки……………………………….	30 – 10	70 – 90
Супеси………………………………….	10 – 5	90 – 95

Химический состав глин пред­ставлен в основном тремя окислами: SiO₂, Аl₂O₃ и Fе₂O₃. Наряду с кремнеземом, глино­земом и окислом железа в глине могут при­сутствовать окислы CaO, MgO, SO₃, TiO₂ и щелочи Na₂О и К₂О.

Количественное соотношение указанных окислов может изменяться в глинах в широких пределах в зависимости от месторож­дения. Так, в легкоплавких глинах SiО₂ может содержаться от 60 до 80%; Аl₂O₃ от 5 до 20%, Fе₂O₃ от 3 до 15%, а СаО от 0 до 25%.

Химический состав позволяет судить о некоторых технических свойствах глин.

На­пример, значительное содержание кремнезе­ма в глине свидетельствует о ее запесоченности, что сказывается на пластичности и связующей способности глины.

С увеличени­ем содержания глинозема повышается ог­неупорность и пластичность глины, а так­же возрастает прочность обожженных из­делий.

Содержание окислов Fе₂O₃ определяет огнеупорность глины и цвет изделий после обжига: если окисла железа не более 1%, то изделие после обжига будет иметь белый цвет.

Значительное содержание щелочных окислов свидетельствует о хорошей спекаемости глины. Щелочные окислы при нагревании образуют с кремнеземом легкоплавкие силикаты, которые при обжиге переходят в жидкое состояние и заполняют поры в изделии.

Минералогический состав глин весьма разнообразен. К собственно глинистому веществу относятся такие глинообразующие минералы, как:

· каолинит,

· монтмориллонит,

· бейделит и

· гидрослюды.

Неглинистая часть глиняной породы представлена обычно минералами кварца, слюды, полевого шпата, кальцита, магнезита, а также окислами железа и др.

Минералогический состав определяет основные свойства глин:

· пластичность,

· связность,

· огнеупорность,

· воздушную и

· огневую усадку.

Преобладающее влияние на свойства глин оказывают глинообразующие минералы и кварц.

Каолинит и монтмориллонит при обжиге теряют химически связанную воду, выделение которой при обжиге может вызвать растрескивание изделий.

Содержание кварца определяет степень воздушной и огненной усадки глин.

Полевой шпат, кальцит и слюда понижают огнеупорность глин; присутствие их даже в небольших количествах должно учитываться при установлении режима обжига глин.

Примеси в глине оказывают влияние на качество керамических изделий.

Песчаные примеси понижают пластичность глин и затрудняют их формовку. Присутствие крупных зерен песка делает поверхность изделий шероховатой, а примеси гальки вызывают появление при обжиге трещин. Мелкий песок в известных пределах — полезная смесь, так как образует как бы скелет в глиняной массе, препятствующий ее усадке при сушке и обжиге.

Растворимые соли - гипс, Na₂SО₄, Мg SО₄ и щелочи образуют на поверхности керамических изделий белые выцветы и пятна, снижающие их декоративные свойства.

Сульфат натрия может вызвать также растрескивание изделий: при действии воды на Na₂SО₄ он кристаллизуется, значительно увеличиваясь при этом в объеме.

Известковые включения зерен СаСОз при обжиге образуют окись кальция (СаО), которая, взаимодействуя с водой или поглощая влагу из воздуха, превращается в Са(ОН)₂ с резким увеличением объема, что вызывает разрушение изделий (так называемый «дутик»).

Известковые включения в тонкоизмельченном состоянии, равномерно распреде­ленные в глине, вреда не оказывают и при повышенных температурах способствуют уп­лотнению изделий. При значительном их со­держании увеличивается пористость черепка.

В зависимости от состава и количества примесей глины имеют весьма разнообраз­ную окраску как до обжига, так и после обжига.

Каолины, являясь наиболее «чистым» глиняным сырьем, до и после обжига сохра­няют белый цвет.

Окислы железа придают керамическим изделиям окраску от светло-желтой до темно-красной и коричневой.

При наличии одновременно известковых примесей изделия приобретают розовую окраску.

Органические примеси, окрашивающие глины в цвета темных тонов (от серого до черного), выгорают после обжига и не влияют на цвет обожженных изделий.

Введением в глины минеральных красителей можно получить различные желаемые оттенки темных тонов глин.

Цвет глины после обжига имеет большое значение для облицовочных и санитарно-технических изделий и в значительной степени определяет возможность примене­ния глины для изготовления этих изде­лий.

Пластичность - способность глин при замешивании с водой образовывать тесто, которое под дав­лением может принимать заданную форму (формоваться) без образования трещин и сохранять ее пос­ле снятия давления. Важнейшее свойство глин.

Пластичность глин* объясняется физико-химическими свойствами глиняных частиц, их весьма высокой дисперсностью, чешуйча­тым строением и способностью при затворении водой образовывать коллоидные раство­ры.

* Современные гипотезы о причинах пластичности глин как по физическим признакам (форма и размеры частиц), так и основанные на химических процессах, се­годня еще не могут быть сведены к одному какому-то положению. Эти вопросы более подробно освещаются в специальной литературе.

Мельчайшие глиняные чешуйчатые ча­стицы имеют сильноразвитую поверхность. На поверхности частиц прочно адсорбирует­ся тончайшая пленка воды, которая выпол­няет роль гидродинамической смазки между частицами. Уменьшению трения между гли­няными частицами способствует также обра­зование коллоидного раствора.

Пластичность глин зависит от содержа­ния глинистых частиц.

Различают:

· тонкодисперсные и

· грубодисперсные глины.

Жирные глины -тонкодисперсные глины с небольшим со­держанием песка. Об­ладают высокой пластичностью.

Тощие глины -грубодисперсные глины, содержащие большее количество песка.Тесто из тощих глин получается малопластичным и плохо формующимся.

Формовочная влаж­ность - оптимальная влажность гли­ны, при которой достигается наилучшая пластичность глины. Устанавливается опытом.

Если во­ды недостаточно, тесто получается малопла­стичным, а при избытке воды оно становится липким.

В зависимости от состава формовочная влажность глины колеблется в пределах 17 — 35% от ее веса.

Связующая способность глин - свой­ство при смешивании с водой принимать в себя добавки непластичных порошкообраз­ных или крупнозернистых материалов. Находится в тесной связи с пластичностью. Жир­ные глины обладают большой связующей способностью.

Отощители, добавляемые к жирным глинам для регулирования пластичности:

· песок,

· шамот,

· древесные опилки.

Процессы, которым подвергают глины для повы­шения пластичности:

· вылежи­ванию во влажном состоянии,

· выморажива­нию,

· пропариванию.

Пластичность глин определяется различными методами. Рассмотрим определение ко­эффициента пластичности глины К по мето­ду П. А. Земятченского.

Из глиняного теста формовочной влажно­сти приготовляют несколько шаров диамет­ром, около 5 см. Затем каждый шар по­следовательно устанавливается в приборе П. А. Земятченского (см. рис.) и точно изме­ряется его диаметр по шкале (2) прибора. Пос­ле этого шар в приборе подвергается давлению все увеличивающимся грузом (3) до появле­ния на боковых поверхностях первой трещи­ны. В момент появления первой трещины по шкале прибора берется отсчет и отмечается диаметр сжатого шара, а также вес груза, при котором появилась первая трещина. Про­изведение нагрузки на величину сжатия ша­ра называется коэффицентом пластичности и определяется по формуле:

К = Р•(d – d₁),

где Р — нагрузка в кг в момент появления трещины;

d — начальный диаметр образца в см;

d₁ — толщина сплющенного образца в см.

· Глины малопластичные имеют К ниже 2,4,

· средней пластичности — от 2,5 до 3,6 и

· вы­сокопластичные — выше 3,6.

Прибор для определения пластичности глин: 1 — образец из глиняного теста, 2 — измерительная шкала, 3 — груз.

Отношение глин к нагреванию. При нагревании в глинах происходят сложные физико-химические процессы. Упрощенно они сводятся к следующему. При 100 — 120° испаряется свободная влага и глина перехо­дит в абсолютно сухое состояние. Органиче­ские примеси выгорают при температуре 300 — 400°. При температуре 600 — 700° из каолини­та выделяется гидратная вода и он перехо­дит в безводный каолинитовый ангидрид Аl₂O₃ • 2SiO₂. В результате дегидратации као­линита и других минералов глина теряет пластичность и приобретает максимальную пористость.

При нагревании выше 900° каолинитовый ангидрид распадается на свободные окислы Аl₂O₃ и 2SiO₂. При температуре свыше 1000° они вновь соединяются между собой, но уже в других соотношениях.

Карбонаты кальция и магния распадают­ся при 800 — 900° с выделением углекислого газа СО₂.

Легкоплавкие вещества, содержащиеся в глине, при температуре обычно не ниже 900° начинают плавиться. Расплав обволакивает более тугоплавкие зерна глины, заполняет пустоты между ними и после охлаждения связывает их в прочную, водостойкую массу. Этот процесс носит название спекания гли­ны.

В зависимости от температуры и продолжительности обжига степень спекания глины оказывается различной, как и пористость черепка керамического изделия. В тех случаях, когда требуется получить изделие с пористым черепком, обжиг доводится лишь до начальных стадий спекания. Например, обыкновенный стеновой кирпич обжигается при температурах около 900 — 950°. При более высокой температуре обжига получают изделия с плотным спекшимся (каменным) черепком.

Если температуру обжига увеличить, наступит период, когда глиняная масса размягчается и изделие теряет форму. Для производства керамических изделий требуется, чтобы между температурой спекания и полного размягчения был интервал не менее 100°, называемый интервалом спекания.

Огнеупорность глин, т. е. их способность противостоять, не расплавляясь длительному воздействию высоких температур, зависит от минералогического состава. Чистый каолинит плавится при температуре 1780°, а кварц при 1710°. Смесь их имеет более низкую температуру размягчения — 1580°. Эта температура считается нижним пределом, температуры размягчения огнеупорных материалов.

Моментом размягчения принято считать такую деформацию стандартной трехгранной усеченной пирамиды, когда она своей вершиной коснется основания, на котором стоит (см. рис.). Такие стандартные пирамиды носят название керамических пироскопов.

Керамические пироскопы.

Они состоят из смеси размолотого каолинита, кварца, полевого шпата, мрамора, окиси железа и борной кислоты; причем смеси подобраны так, что они плавятся при температурах от 600 до 2000° с интервалами через 20°. Керамические пироскопы снабжаются номерами (ПК-120, ПК-130, ПК-14О и т. д.), составляющими 1/10 часть от температуры размягчения и применяются для определения огнеупорности глины.

Плавни – примеси, понижающие температу­ру плавления глин.

К плавням относятся:

· окись каль­ция,

· окись магния,

· окись железа,

· щелочи.

Понижение температуры размягчения и спе­кания имеет большое практическое зна­чение, так как сокращается расход топлива и продолжительность обжига. Кирпичные глины с содержанием 12 – 15% плавней размягчаются при температурах около 1000°. Однако для огнеупорных глин присутствие плавней недопустимо.

Усадка глины происходит в процессе сушки и обжига. Наиболее значительная усадка

· при сушке глин (воздушная усадка) и в мень­шей степени

· при обжиге (огневая усадка).

Причина воздушной усадки заключается в том, что во время выделения механически примешанной влаги происходит стягивание глинистых частиц. Усадка при сушке будет тем выше, чем дисперснее и пластичнее гли­на. Усадка вызывает появление в изделии внутренних напряжений, которые могут при­вести к образованию трещин. Для уменьше­ния усадки производят отощение глин.

Применение в современном керамическом производстве вакуума и паропрогрева глин позволяет снизить воздушную усадку глины и ее вредное влияние на качество изделий. Пароувлажнение глинистой массы сокраща­ет также длительность сушки (на 30 — 50%), так как при этом намного улучшаются условия внутренней диффузии влаги. Для определения влажности воздушной линейной усадки из глинистого теста формовочной влажности изготавливают плиты размером 50´50´8 см. На свежеизготовленных образцах проводят диагонали, на которых наносят метки на расстоянии, равном 50 мм.

После высушивания плиток до постоянного веса при температуре 110° вновь замеряют расстояние между метками с точностью до 0,5 мм. Линейную усадку определяют в процентах по формуле:

l = ((l₀ – l₁) /l₀) •100%

где l₀ — расстояние между метками до сушки;

l₁ — расстояние между метками после сушки.

Величина линейной воздушной усадки колеблется в широких пределах от 5 до 12% и зависит от пластичности глин и присутствия примесей. В процессе обжига глина увеличивает свою усадку вследствие спекания. Суммарная усадка при сушке и обжиге β выразится формулой:

β = ((l₀ – l₂) /l₀) •100%

где l₂ — расстояние между метками после обжига.

Дата добавления: 2014-11-18