Строительная керамика

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Реферат

Строительная керамика

Строительная керамика. Производство кирпича и огнеупоров

Понятие строительной керамики

Керамическими называют каменные изделия, получаемые из минерального сырья путем его формования и обжига при высоких температурах.

Термин «керамика» происходит (по П. П. Будникову) от слова «керамейя», которым в Древней Греции называли искусство изготовления изделий из глины. И теперь в керамической технологии используют главным образом глины, но наряду с ними применяют и другие виды минерального сырья, например чистые оксиды (оксидная техническая керамика). Керамические материалы - самые древние из всех искусственных каменных материалов. Черепки грубых горшечных изделий находят на месте поселений, относящихся к каменному веку. Возраст керамического кирпича как строительного материала более 5000 лет.

Большая прочность, значительная долговечность, декоративность многих видов керамики, а также распространенность в природе сырьевых материалов обусловили широкое применение керамических материалов и изделий в строительстве. В долговечности керамических материалов можно убедиться на примере Московского Кремля, стены которого сложены почти 500 лет назад.

В современном строительстве керамические изделия применяют почти во всех конструктивных элементах зданий, облицовочные материалы используют в сборном домостроении. Богатство эстетических возможностей керамики обеспечили ей видное место в отделке фасадов зданий и внутренних помещений. Керамические пористые заполнители - это основа легких бетонов. Санитарно-технические изделия, а так же посуду из фарфора и фаянса широко используют в быту. Специальная керамика необходима для химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), электротехнике и радиоэлектронике (электроизоляторы, полупроводники и др.) ее применяют в космической технике.

Керамические строительные материалы в зависимости от их структуры разделяют на две основные группы: пористые и плотные. Пористые поглощают более 5% воды (по массе), в среднем их водопоглощение составляет 8 - 20% по массе или 14 - 36% по объему. Пористую структуру имеют стеновые, кровельные и облицовочные материалы, а так же стенки дренажных труб и т.д. Плотные поглощают менее 5% воды, чаще всего 1 - 4% по массе или 2 - 8% по объему. Плотную структуру имеют плитки для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др.

По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды: стеновые изделия (кирпич, пустотелые камни и панели из них); кровельные изделия (черепица); элементы перекрытий; изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, наборные панно, архитектурно-художественные детали); изделия для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали к ним - карнизы, уголки, пояски); заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит); теплоизоляционные изделия (ячеистая керамика); санитарно- технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы); плитка для пола; дорожный кирпич; кислотоупорные изделия; огнеупоры; изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы).

Приведенная классификация показывает широкое распространение керамических материалов и изделий в строительстве.

Сырьевые материалы

Сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются каолины и глины, применяемые в чистом виде, а чаще - в смеси с добавками (отощающими, порообразующими, плавнями, пластификаторами) Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние.

Каолины. Каолины состоят почти исключительно из минерала Al2O3 2SiO2 2H2O и содержат значительное количество частиц меньше 0,01мм; после обжига сохраняют белый цвет.

Глины боле разнообразны по минеральному составу, они больше загрязнены минеральными и органическими примесями. Глинистое вещество (с частицами меньше 0,005мм) состоит в основном из каолинита и родственных ему минералов - монтмориллонита Al2O3 4SiO2 nH2O, галлуазита Al2O3 2SiO2 4H2O.

Содержание таких частиц определяет пластичность и другие свойства глин. Высокопластичные глины содержат частицы размером менее 0,005мм 80 - 90 %.

В глинах могут быть примеси снижающие, температуру плавления: карбонат кальция, полевой шпат, Fe(OH)3, Fe2O3. Камневидные включения CaCO3 являются причиной появления «дутиков» и трещин в керамических изделиях, так как гидратация CaO, получившегося при обжиге керамических изделий, сопровождается увеличением его объема. Часто встречающаяся примесь оксида железа придает глине привычную красную окраску. Вообще же окраски глин весьма разнообразны: от белой, коричневой, зеленой, серой до черной. Окраска глин зависит от примесей как минерального, так и органического происхождения богатых углеродом.

Бентонитами называют высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита. Содержание в них частиц меньше 0,001мм достигает 85 - 90 %.

Трепелы и диатомиты, состоящие в основном из аморфного кремнезема, используют для изготовления теплоизоляционных изделий, строительного кирпича и камней.

Отощающие добавки вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, песок, золу ТЭС, гранулированный шлак.

Шамот - зернистый керамический материал (с зернами 0,14 - 2 мм), получаемый измельчением глины, предварительно обожженной при той же температуре, при которой обжигаются изделия. Его можно получить, измельчая отходы обожженного кирпича. Шамот улучшает сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его применяют для получения высококачественных изделий - лицевого кирпича, огнеупоров и т.д.

Дегидратированная глина при температуре 700 - 750° С, добавляемая в количестве 30 - 50 %, улучшает сушильные свойства сырца и внешний вид кирпича.

Песок (с зернами 0,5 - 2 мм) добавляют в количестве 10 - 25 %.

Гранулированный доменный шлак (с зернами до 2 мм) - эффективный отощитель глин при производстве кирпича. Роли отощителей выполняют так же золы ТЭС и выгорающие добавки.

Парообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа, например CO2 (молотые мел, доломит), или выгорают.

Выгорающие добавки: древесные опилки, измельченный бурый уголь, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин не только повышают пористость керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка.

Пластифицирующими добавками являются высокопластичные глины, бентониты, а также поверхностноактивные вещества - сульфитно-дрожжевая бражка и др.

Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания. К ним относят: полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п.

Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом. Слой глазури, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепляют на ней обжигом при высокой температуре. Глазури - это стекла, которые могут быть прозрачными и непрозрачными (глухими), различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури являются: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочно-земельных металлов, оксиды свинца, борная кислота, бура и др. Их применяют в сыром виде, либо сплавленными - в виде фритты. Оксид свинца заменяют менее вредным оксидом стронция.

Ангоб готовят из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на еще не обожженные изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому поверхность получается матовой. Ангоб по своим свойствам должен быть близок к основному черепку.

Свойства глин как сырья для керамических изделий

1.Пластичность

Глина, замешанная в определенном количестве воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью.

Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздуха желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму при сушке и обжиге.

Техническим показателем пластичности является число пластичности

Пл = WT - WP

где WT и WP - значения влажности, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута, %.

Для производства строительных керамических изделий обычно применяют умеренно пластичные глины с числом пластичности Пл = 7 - 15. Малопластичные глины с Пл меньше 7 плохо формуются, а высокопластичные глины с Пл больше 15 растрескиваются при сушке и требуют отощения.

Связующая способность глины проявляется в связывании зерен непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также в образовании при высыхании достаточно прочного изделия - сырца. Эту способность используют при кладке печей, труб.

2.Отвердевание глины при высыхании и усадка

Особенность глиняного теста - способность отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуют их разъединению, вследствие этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина размокает.

Усадка - это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка) глин. Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.

Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2 - 3% до 10 - 12 % в зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхностно-активные вещества (СБД и др.), введенные в глиняную массу в количестве 0,05 - 0,2 %, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяют сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку.

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может составлять 2 - 8 % в зависимости от вида глины.

Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18 %. Соответственно увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие необходимых форм.

3.Переход глины в камневидное состояние при обжиге

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная вода, затем выгорают органические вещества. При температуре 700 - 800єС происходит разложение безводного метакаолинита Al2O3 2SiO2, который образовался ранее (при температуре 450 - 600є С) вследствие дегидратации каолинита; затем Al2O3 и SiO2 при повышении температуры (до 900єС и выше) вновь соединяются, образуя исскуственный минерал - муллит (3Al2O3 2SiO2). Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950 - 1000єС.Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой фазы - силикатного расплава, который не только цементирует частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получаются изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым водопоглощением (менее 5 %).

4.Спекаемость

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

Интервал спекания легкоплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50 - 100єС, огнеупорных глин - 400єС.

Огнеупорные глины (и изделия из них) противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится

при температуре 1770єС,однако различные примеси (Fe2O3, CaCO3, и др.)понижают эту температуру. Представляя собой сложные природные смеси, глины не имеют определенной температуры плавления. При 750 - 800єС в следствии частичного плавления легкоплавких эвтектических смесей начинается уплотнение черепка и закрытие пор, т.е. происходит спекание.

Цвет глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий, а также для тонкой керамики. Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных CO и H2 в газах) и при определенных температурах, чтобы Fe2O3 перевести в FeO. Не желательны в глине крупные зерна пирита FeS2 и оксидов железа, образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободного оксида железа при нагревании между 450 и 800єС придает изделию красноватое и желтоватое окрашивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка.

Обработка глиняной массы

Производство керамических изделий включает следующие этапы: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.

1. Карьерные работы

Карьерные работы включают добычу, транспортировку и хранение промежуточного запаса глины. Вылеживание замоченной глины, ее вымораживание в течении годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы (см. приложение 1).

2. Механическая обработка

Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить или измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделяют из глины, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Можно добиться полного выделения камней из глины гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито, на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распылительных сушилках.

Глину измельчают после выделения каменистых включений. Если их нет в глине, то после доставки на завод ее сразу подвергают грубому дроблению, потом тонкому измельчению. После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить глиняную массу с необходимой формовочной влажностью.

3. Формование

Стеновые керамические изделия изготавливают способами пластического формования и полусухого прессования. Из жидких глиняных масс изготавливают некоторые виды облицовочной плитки, санитарно-технические и другие фаянсовые и фарфоровые изделия.

Способ пластичного формования. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными. В корпусе этого пресса вращается шнек - вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса, поступая через воронку и питающий валик, перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук глиняного пресса для производства кирпича имеет прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней, в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник. Применяются также фасонные вставки с узкими щелями - для формования черепицы, кольцевые для керамических труб.

Из мундштука пресса выходит глиняный брус, который разрезают автоматически резательным аппаратом, получая изделия заданного размера. Плотный вакуумированный сырец устанавливают рядами на печную вагонетку и он поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить влажность на 3 - 4 %, увеличить прочность сырца в 2 - 3 раза, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его водопоглощение снижается на 10 - 15 %.

Способ полусухого прессования. Керамические изделия формуют способом полусухого прессования из шихты влажностью 8 - 10 %, уплотняемой прессованием под значительным давлением (15 - 40 МПа).

Способ литья. Плитки (толщиной 2 мм) изготавливают способом литья на автоматизированных конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамические поддоны, на которые наливные аппараты последовательно наносят шликеры разделительного, плиточного и глазурованного слоев. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22 - 30 минут, после чего он автоматически предается в тепловые установки. Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) занимает около 2 часов.

4. Сушка сырца

Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги не более

5 % во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку сырца проводят в тоннельных и камерных сушилках.

5. Обжиг изделий

Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг составляют 35 - 40 %, а потери от брака достигают 10% себестоимости товарной продукции. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных печах с автоматическим управлением (см. приложение 2). Туннельная печь представляет собой длинный канал, выложенный внутри огнеупорной футеровкой. Вагонетки с изделиями, составляющие сплошной поезд, перемещаются в печи и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950 - 1000єС) необходима для спекания керамической массы. Спекание происходит вследствие цементирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.

глина обжиг камень огнеупорный кирпич

Список литературы

Горчаков Г. И. Строительные материалы: учебное пособие для высших учебных заведений/ Г.И. Горчаков, Ю.М.Баженов; под общ. ред. Г. И. Горчакова . - Владимир: Союзполиграфпром, 1986. - 686 с.

Комар, А. Г. Строительные материалы и изделия: учебник для студентов специальности «Экономика и управление в строительстве».-Ярославль , 1988. - 528 с.

Бондаренко В.М., Римшин В. И. Строительная наука - направления развития // Строит, материалы. 1998. № 4.

Хигерович М.И., Байер В.Е. Производство глиняного кирпича. М.: Стройиздат. 1984.

Размещено на Allbest.ru