Керамических материалов

Тема 4.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества

Номенклатура. Среди керамических материалов, выпускаемых промышленностью, - стеновые материалы (кирпичи, камни, блоки), плитки и плиты, черепица, санитарно-технические, архитектурно-художественные изделия, а также материалы специального назначения: трубы, дорожный кирпич, кислото- и огнеупорный кирпич, теплоизоляционные, краски.

Кирпичи, камни и блоки отличаются размерами: камень больше кирпича по толщине, как правило, в 2 раза и более, блоки значительно крупнее камней. Кирпичи и камни разделяют на полнотелые (керамическая масса заполняет весь объем изделия) и пустотелые (с технологическими пустотами, полученными в процессе формования). Пустотелые изделия называют эффективными (при средней плотности не более 1400 кг/м³) – наличие технологических пустот позволяет снизить теплопроводность кирпичной кладки, что приводит к экономии энергетических затрат на отопление здания или к уменьшению толщины наружных стен. Блоки выпускают только пустотелые. В зависимости от назначения выделяют обыкновенные ( скрытые в «теле» конструкции) и лицевые (одна или две грани в процессе эксплуатации воспринимаются визуально) кирпичи, камни и блоки. Плитки (длина и ширина до 150 мм) и плиты (более крупных размеров) используют для фасадов, внутренней облицовки стен, для покрытия полов. Эти изделия производят более 16 типов в зависимости от размеров. Их форма весьма разнообразна: квадратные, прямоугольные, четырех-, пяти-, шести- и восьмигранные, фигурные, фасонные (угловые, карнизные, плинтусные и др.). Черепица для кровли производится из легкоплавких глин различных размеров и типов – рядовая, коньковая, разжелобочная, концевая, специальная и др. Санитарно-технические керамические изделия (ванны, раковины, унитазы, умывальники и др.) изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора. Различный рельеф, в том числе рельеф сложного профиля, имеют изделия архитектурно-художественной керамики, используемые для внешней и внутренней художественной отделки. Эти изделия бывают одно- и многоцветными. В качестве красителей используют различные цветные глины, хромистый железняк, марганцевую руду. Для интенсификации цвета в глиняную массу вводят до 3% силикат-глыбы. Неглазурованные изделия называют архитектурной терракотой. Ее эстетические характеристики связаны со способами формования: пластического штампования (на фрикционных, гидравлических прессах), пластического формования (на шнековых прессах). Способ ручного формования (в гипсовых формах) предполагает получение индивидуальных изделий со сравнительно сложным и глубоким рельефом. Керамические трубы применяют для дренажных (мелиоративных) систем и отвода сточных и щелочных вод. Их выпускают различных диаметров и длины из достаточно пластичных глин. Например, размер канализационных труб по длине может быть 800 – 1200, внутренний диаметр 150 – 600 мм. Для изготовления дорожного кирпича (клинкерного) применяют тугоплавкие глины. Характерный размер такого кирпича 200х110х65 или 220х110х75 мм. Кроме дорожного строительства, его применяют для устройства тротуаров, полов промышленных зданий. Кислотоупорные керамические материалы (кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним) получают из глин, которые не содержат примеси, понижающие химическую стойкость (например, гипс, карбонаты). Огнеупорные керамические материалы применяют при строительстве промышленных печей, топок и оборудования, работающих при температуре 1580-1770^оС. Применяют в основном кремнеземистые, алюмосиликатные, шамотные (из смеси огнеупорной глины и порошка обожженной и размолотой такой же глины) и легковесные огнеупоры. Последние отличаются сравнительно высокой пористостью – до 83% и низкой средней плотностью 400-1300 кг/м³. Большая пористость керамических теплоизоляционных материалов создается путем введения в глиняную массу пенообразователей и выгорающих добавок. Для теплоизоляции при более высоких температурах используют алюмосиликатные и другие волокнистые материалы. Керамические краски – смеси жаростойких минеральных пигментов с легкоплавкими стеклами (надглазурные краски) или с керамическими массами и глазурями (подглазурные краски).

Свойства и методы испытаний. Эксплуатационно-технические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером их структуры, образующейся в процессе обжига. Выделяют материалы с пористым и плотным черепком. Большинство керамических материалов имеют пористую структуру (кирпич, черепица, плиты и плитки для облицовки стен и др.). Пористость их обычно более 30%.

Водопоглощение пористых материалов по массе обычно не менее 8-20%, по плотным гораздо меньше – 1-6%. Соответственно морозостойкость плотных керамических материалов заметно выше. Теплопроводность плотных керамических материалов превосходит аналогичную величину пористых в 2 раза и более. Для определения водопоглощения кирпича керамического обыкновенного, кирпича пустотелого, керамических камней, плит фасадных от партии отбирают три наиболее типичных образца (целые или их половинки). При испытании керамических плит, архитектурных деталей, имеющих значительные размеры, выпиливают образцы длиной и высотой 100 мм, толщиной, равной толщине изделия. Образец, выпиленный из пустотелого изделия, должен содержать не менее одной полной пустоты. Образцы очищают от пыли и грязи войлочной щеткой, высушивают до постоянной массы, взвешивая с погрешностью 1г. образцы насыщают водой при температуре 20±5^оС, при кипячении или под вакуумом в соответствии с указаниями ГОСТа. Так плиты керамические для внутренней облицовки стен (3 образца) после высушивания насыщают водой в ванне в течение 48 ч. при температуре 20±5^оС. Плитки для полов (5 образцов) промывают дистиллированной водой, высушивают после остывания и кипятят в ванне с водой в течение 1 ч.

Морозостойкость кирпича, камней, плиток, черепицы оценивают, используя целые изделия. Из фасадных плит и архитектурных деталей предварительно готовят образцы, размеры которых аналогичны размерам образцов для определения водопоглощения. От каждой партии отбирают не менее 5 изделий для испытаний, а 5 изделий являются контрольными – после насыщения водой в течение 48 ч. их испытывают на сжатие. Испытуемые образцы после насыщения водой в течение 48 ч. помещают в морозильную камеру с температурой -17^оС. Расстояние между образцами должно быть не менее 20 мм, чтобы был обеспечен доступ холодного воздуха. Морозильную камеру загружают не более чем на 50%. Время выдержки образцов в морозильной камере зависит от толщины их стенки: при соответствующей толщине не более 50 мм их выдерживают 4 ч.; при толщине стенок 70,7 мм – не менее 6 ч.; при толщине стенки 100 мм – не менее 8 ч. Продолжительность одного замораживания кирпича различных видов не менее 5 ч. Длительность оттаивания образцов в ванне с водой при температуре 15-20^оС не менее 4 ч. После каждых пяти или десяти циклов замораживания-оттаивания оценивают степень разрушения или повреждения материала. При необходимости определяют потерю прочности образцов, сравнивая предел прочности при сжатии после определенного количества циклов замораживания-оттаивания с аналогичной величиной после насыщения водой в течение 48 ч. О функциональной надежности лицевого слоя плиток и плит судят по показателю термостойкости – способности выдерживать резкую смену температуры (нагрев в воздушной бане до 100^оС и погружение в воду с температурой +18…+20^оС). При этом целостность лицевого слоя должна сохраняться. Прочность керамических материалов также связана с пористостью их структуры. Так, различают следующие марки кирпича керамического в зависимости от предела прочности при сжатии в кгс/см² (с учетом предела прочности при изгибе – материал подвергается в кладке и изгибу): 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Но кирпич дорожный – материал с плотным черепком – имеет более высокие марки – 400, 700 и 1000. Указанные цифры означают, что предел прочности материала при сжатии не ниже данной величины в кгс/см².

Фарфоровые изделия с плотным черепком имеют предел прочности при сжатии до 5000 (500 МПа). Для определения предела прочности при сжатии кирпича и камней керамических их укладывают постельными гранями один на другой. Предварительно отобранные для испытания образцы полнотелых изделий распиливают (дисковой пилой на станке) на две равные части по ширине и, направляя поверхности распила в противоположные стороны, склеивают цементным тестом. Тесто готовят на основе портландцемента не выше М400, толщина слоя не более 5 мм. Аналогичным цементным тестом выравнивают внешние поверхности. Толщина слоя в этом случае 3 мм. Полученные образцы, близкие по форме к кубу, выдерживают до испытания 3-4 сут. во влажных условиях. Допускается определять предел прочности при сжатии полнотелого кирпича, испытывая целые изделия, склеивая и выравнивания их поверхности аналогичным образом. Целые изделия испытывают и при определении предела прочности при сжатии кирпича и камней керамических пустотелых. Предел прочности при изгибе устанавливают, испытывая целое изделие, уложенное постельной гранью на две опоры (с закруглением радиусом 10-15 мм), находящиеся на расстоянии 200 мм. Сосредоточенную нагрузку прилагают к аналогичной опоре в середине пролета. Для выравнивания постели кирпича в местах приложения нагрузки наносят слои цементного теста шириной 20-30 и толщиной 3 мм. Перед испытанием образцы выдерживают во влажных условиях 3-4 суток. Предел прочности при сжатии фасадных плит определяют, используя изделия или образцы, выпиленные из плит, с учетом следующих требований: размеры образцов из верхней части по длине и высоте должны быть не менее 120 мм при натуральной толщине образца; из хвостовой части плиты выпиливают два равных куска и соединяют их (налагая друг на друга) слоем цементного теста не более 5 мм. Верхние и нижние поверхности образцов из верхней и хвостовой частей плит выравнивают слоем цементного теста не более 3 мм по толщине. Перед испытанием образцы выдерживают 3 суток при температуре 15±5^оС в закрытом помещении. Предел прочности при изгибе определяют, используя целые фасадные плиты. При этом одна из цилиндрических опор должна быть подвижной, расстояние между опорами 200 мм. Нагрузка прикладывается к опоре в середине пролета. Прочность черепицы на излом измеряют, прикладывая сосредоточенную нагрузку к образцам, расположенным также на двух цилиндрических опорах. При испытании пазовой штампованной черепицы расстояние между осями опор 300 мм, при испытании ленточной плоской – 180 мм. Для равномерного распределения нагрузки на опоры наносят слой гипсового раствора шириной 20-30 мм.

Эстетические свойства керамических материалов связаны с видом и составом используемого сырья (в первую очередь глины), параметрами различных технологических переделов и могут регулироваться в процессе производства. Большинство месторождений глин содержит оксиды железа в количестве, обеспечивающем керамическим стеновым материалам различные оттенки красного цвета. При наличии в глинах большого количества известковых включений изделия приобретают светло-коричневые и бежевые тона. Добавляя в глиняную массу из светложгущихся глин минеральные красители, можно получить керамические изделия разных цветов и оттенков. Красные тона получаются при наличии оксидов железа, коричневые – марганцевых руд, серые – хромистых. Цвет изделия заметно изменяется при добавлении к светложгущейся глине обычного легкоплавкого суглинка. При содержании оксида железа в пределах 0,8-1,3% цвет меняется от чисто-белого до молочного, в диапазоне 2,7-4,2% от светло-желтого, охристого переходит к темно-желтому; при 5,5% изделие становится светло-красным, а при 8,5-10% - цвет плавно переходит от ярко-красного к темно-красному. При обжиге изделия могут приобретать также темно-серый или даже черный цвет. Рельефный рисунок получают при обработке лицевой поверхности керамических стеновых материалов в процессе формования специальными валиками, щетками, гребенками или горизонтальными струнами. Керамические стеновые материалы отделывают также методом торкретирования сухой минеральной крошки на лицевую поверхность. Минеральная крошка вдавливается в тело глиняного бруса, образуя оригинальные зернистую фактуру и цвет. Для торкретирования можно использовать кварцевый песок, шамот, бой стекла, различные фритты, отходы производства фарфора и фаянса, керамических плиток. Цветной лицевой слой на керамических стеновых материалах образуется после подачи в формующее устройство (мундштук) двух пластичных глиняных масс. Одна из них обычно представляет цветную глину различных месторождений или с добавкой природных красителей (железных, марганцевых, гематитовых руд, охры), а также пигментов, вырабатываемых на заводах керамических красок. Кроме указанных компонентов, в состав цветной массы входит кварцевый песок. Содержание глины обычно не менее 50%, песка не менее 27%. Декоративный слой с гладкой матовой или блестящей фактурой на стеновой керамике получают путем соответственно ангобирования или глазурования.

Плитки различного функционального назначения, санитарно-технические изделия могут иметь разнообразные цвет, фактуру и рисунок лицевой поверхности. Так, фактура плиток для внутренней облицовки стен может быть гладкой или рельефной (в том числе пирамидальной), блестящей или матовой. При использовании цветных прозрачных или глухих глазурей получают цветные однотонные плитки. Методом набрызгивания различных по цвету глазурей изготовляют плитки с мраморовидным рисунком. Одно- и многоцветный рисунок наносят на плитки методом сериографии или шелкографии. Одноцветный рисунок можно получать с помощью порошковых керамических красок, содержащих смолы, в электростатическом поле. Рельефный рисунок наносят на лицевую поверхность плитки в процессе прессования. Плитки для полов выпускают одно- и многоцветные, мраморо- и порфировидные, коврово-мозаичные, глазурованные рельефно-орнаментированные, орнаментированные шелкографическим способом. При изготовлении порфировидных плиток используют глинистое сырье различной природной окраски. Лицевой слой мраморовидных плиток получают напылением цветного порошка в распылительной сушилке. Санитарно-технические изделия покрывают прозрачной или глухой (белой или цветной) глазурью. Их эстетические характеристики связывают, в частности, с белизной, вызываемой рассеянным отраженным светом. Количественно белизна определяется как отраженной поверхностью изделия световой поток (в %), сравниваемый с белизной баритовой пластинки (ВаSО₄), принятой за эталон.

Эстетические характеристики фарфоровых изделий связаны с просвечиваемостью – отношением интенсивности прошедшего через изделие диффузно рассеянного света к интенсивности света, падающего на изделие. Просвечиваемость зависит от состава структуры, толщины стенки фарфорового изделия и находится в пределах 0,2-2%. Снижение в определенных пределах содержания кварца, глинистых компонентов, регулирование состава глазури повышают просвечиваемость фарфоровых изделий. При оценке внешнего вида керамических материалов фиксируют размеры и возможные дефекты. На лицевой поверхности кирпича и камня лицевого не допускаются отколы, в том числе от известковых включений, пятна, выцветы и другие дефекты, видимые в расстоянии 10 м на открытой площадке при дневном освещении. Существуют допускаемые отклонения от номинальных размеров показателей внешнего вида лицевой поверхности. Плитки для внутренней облицовки стен в зависимости от качества лицевой поверхности делят на два сорта. Для глазурованных плиток 1-го сорта на лицевой поверхности не допускаются: отбитости, щербины или зазубрины на ребрах, плешины, пятна, мушки и наколы, видимые с расстояния 1 м, засорка, пузыри, волнистость и углубления, слипыш, просвет вдоль краев (у цветных), следы от зачистки вдоль ребер, нарушения декора (разрыв краски, смещение, нарушение интенсивности окраски), видимые с расстояния 1 м. На их лицевой поверхности не допускаются трещины, в том числе волосяные (цек), щербины, выплавки (выгорки), засорка, слипыш, мушки, пузыри, пятна, наколы, видимые с расстояния 1 м, сухость, сборка и волнистость глазури, неравномерность окраски, нечеткость контура рисунка, разрыв или смещение декора, недожог красок, видимые с расстояния 2 м. Санитарно-технические изделия не должны иметь отклонений от заданной формы. В зависимости от вида дефектов изделия оценивают с помощью металлических измерительных инструментов, контрольных шаблонов, мерного увеличительного стекла и визуально.

Области применения. К конструкционным и конструкционно-отделочным керамическим материалам относятся, прежде всего, кирпичи, камни и блоки. Из керамического кирпича возводится около половины всех жилых, общественных и промышленных зданий. В 30-х гг. ХХ в. керамический кирпич, как правило, использовали ненесущий теплоизоляционный и огнестойкий материал (одно из самых высоких зданий в мире «Эмпайр стэйт билдинг» (высота 378 м) в 1931 г. в США). В настоящее время часто возводятся весьма экономичные несущие кирпичные стены в зданиях различного функционального назначения, в том числе, в жилых домах. Конструкцию стены рассчитывают на работу совместно с перекрытиями на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Многоэтажные кирпичные здания повсеместно строятся и в нашей стране, и за рубежом (16-этажный жилой дом на Беговой улице, 14-этажный на Чонгарском бульваре в Москве, 18-этажное здание около Цюриха, 16-этажное в Биле, 13-этажное в Берне (Швейцария), многочисленные здания в Германии, Великобритании, США, Канаде). В ряде стран популярны крупноразмерные керамические стеновые материалы (камни, блоки), например, театр в Оренбурге, здания в Киеве и др. В современных многоэтажных зданиях кирпичные стены могут быть не только несущими, но и самонесущими, навесными. При создании образа фасада кирпичного здания часто используют лицевые изделия. Жилые дома в г. Пушкине (Ленинградской обл.), в г. Шевченко (Казахстан), здания Международного молодежного лагеря в Шереметьеве под Москвой – лишь единичные примеры применения рассматриваемых изделий. При этом лицевые поверхности кирпича весьма разнообразны по цвету и фактуре. Очень выразительно применение керамического кирпича в отделке интерьеров общественных зданий (зал в общежитии студентов Института им. Гнесиных в Москве, пивной бар в г. Калинине, средняя школа в жилом районе «Лаздинай» в Вильнюсе, зал Университета в Ювяскюле (Финляндия)). В странах Западной Европы широко используют керамическую черепицу для кровельных покрытий малоэтажных зданий, отдавая дань архитектурной выразительности этого материала и высокой долговечности (например, кровля зданий современной Венеции в Италии). Керамические плитки и плиты применяют для облицовки фасадов зданий, как правило, общественных и административных. Часто предпочитают плиты сравнительно крупных размеров, например, в Москве и Минске применяли прямоугольные плиты размером 292х142(92)х10(7) мм. Керамическими плитками облицованы фасады школ в Санкт-Петербурге и Киеве, здания Муниципалитета в Сейняйоки (Финляндия), производственного здания в Вене, гостиницы «Виру» в Таллинне и др. Архитектурная терракота использована при облицовке фасадов ряда зданий на Котельнической набережной и Смоленской площади в Москве, многоэтажных домов на Крещатике в Киеве и др. Значительны объемы применения керамических плиток и плит для внутренней облицовки стен и полов ванных комнат, туалетов, бассейнов. Изготовление полов с лицевым слоем из керамических плит даже в жилых комнатах переживает своеобразный бум в целом ряде стран. Расширение номенклатуры помещений объясняется созданием и распространением устройств для обогрева плит (кабельных или водных). При этом теплоноситель равномерно и быстро нагревает всю толщину пола. Керамические плиты, обладающие высокой теплопроводностью, всегда относились к «холодным» покрытиям полов, но в этом случае они становятся «теплыми», что обеспечивает более комфортные ощущения, чем при традиционном обогреве помещений.

Большое значение в современной лаконичной архитектуре имеет декоративно-художественная керамика для настенных панно, декоративных вставок, объемных композиций, решеток, элементов малых форм. Многочисленные примеры использования декоративно-художественной керамики можно увидеть в наружной (Дом архитектора в Москве, музей Леже в Бьо во Франции) и внутренней (интерьеры общественных зданий в странах Средней Азии, Украины, Эстонии, некоторых станций Московского и Ташкентского метрополитена) отделке.

Дата добавления: 2014-12-08