книги / Технология керамических материалов

или 12–35 об. %. Пористые материалы при необходимости покрывают ангобами или глазурями. К пористым неглазу- рованным изделиям относится обыкновенный и лицевой кирпич, керамические камни и блоки, терракота, черепица и дренажные трубы. К пористым глазурованным изделиям относятся облицовочные плитки и плиты, майоликовые плитки, санитарно-строительные изделия из фаянсовых масс.

Плотные изделия (спекшиеся) имеют блестящий излом,

гладкую поверхность, при ударе издают чистый звук, не про- пускают воду, имеют водопоглощение до 5 мас. % или 4– 8 об. %. Плотные материалы могут быть неглазурованными (плитки для полов, кислотоупорный кирпич и плитки) и гла- зурованными (канализационные трубы, санитарно- строи- тельные изделия из полуфарфоровых и фарфоровых масс).

Если водопоглощение по массе (Вm) спекшегося черепка составляет < 1 %, то изделия с такой структурой черепка назы- вают каменными керамическими. Если в тонком слое черепок просвечивает, то такой черепок называют фарфоровым.

В керамике так же существует разделение изделий на изделия грубой и тонкой керамики. Разделение произво-

дится по зернистости строения черепка: Для изделий грубой керамики характерно грубозернистое строение (кирпич строи- тельный); для тонкой керамики – тонкозернистое строение (фарфор, плитка для внутренней облицовки). Изделия грубой

итонкой керамики могут иметь как плотный (спекшийся), так

ипористый (неспекшийся) черепок.

Кизделиям тонкой керамики относятся изделия с по-

ристым черепком: плитки для внутренней облицовки, имею- щие водопоглощение до 16 мас. % и изделия с плотным че- репком: фарфоровые изделия, имеющие водопоглощение ме- нее 0,5 мас. %.

21

К изделиям грубой керамики относятся изделия с по-

ристым черепком: кирпич и камни, имеющие водопоглоще- ние более 6 мас. %, фаянсовые изделия, водопоглощение которых не превышает 12 мас. %, и изделия с плотным че- репком: кислотоупорные плитки, имеющие водопоглощение не более 5 мас. %.

Кроме того, пористые и плотные керамические мате- риалы и изделия бывают полнотелые и пустотелые.

Классификация по назначению изделий. По назна-

чению различают следующие керамические материалы и из- делия:

–стеновые – кирпич строительный обыкновенный, камни и крупные блоки пустотелые и пористые, панели из кирпича и пустотелых камней;

–кровельные – черепица ленточная, пазовая;

–для наружной облицовки – кирпич лицевой, кирпич

икамни облицовочные, фасадные плиты и плитки, терракота;

–для внутренней облицовки и оборудования зданий –

плиты и плитки, санитарно-строительные изделия, печные изразцы;

– для дорог и полов – клинкерный кирпич, плиты

иплитки;

–теплоизоляционные и легковесные – кирпич и камни,

ячеистая керамика (керамзит, аглопорит), газокерамика;

–специального назначения – трубы дренажные и кана-

лизационные, кислотоупорные кирпич и плитка.

Разумеется, что для изделий различного назначения требуется подобрать определенный состав исходных сырье- вых масс, чтобы получаемые специальные материалы отве- чали предъявляемым к ним требованиям.

22

2. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сырьевые материалы, применяемые в керамическом производстве, принято классифицировать на пластичные и непластичные.

Кпластичным материалам, способным при взаимодей- ствии с водой образовывать пластичное тесто, способное легко деформироваться под небольшим усилием, относятся глины, каолины, бентониты.

Кнепластичным относят каменистые материалы: квар- цевый песок, трепел, опоку, полевой шпат, мел, известняк, перлит, вермикулит.

В технологии строительной керамики широко исполь- зуют отходы промышленности: золы, шлаки, углеотходы, отходы целлюлозно-бумажной отрасли и другие.

2.1.Состав и свойства глинистых пород

2.1.1.Происхождение и состав глинистых пород

Происхождение глин. Свойства готовых керамических изделий определяются качеством исходного сырья. Основ- ным сырьем в производстве керамики являются глины.

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении с водой обра- зовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжи- га приобретает прочность и водостойкость камня.

Термин «глина» имеет в глиноведении двоякое значе- ние: им характеризуют определенные разновидности горных пород, которые обладают указанными свойствами. Однако этим же термином называют тонкодисперсную фракцию глинистой породы, проводя тем самым различие между ее глинистой частью и примесями, входящими в состав глини- стой горной породы. Глинистая порода – это механическая

23

смесь частиц разных размеров, где можно выделить песок, пыль и самые тонкие собственно глинистые частицы.

Глины – это осадочные горные породы, продукты раз- ложения и взаимодействия с водой первичных полевошпато- вых горных пород (гранитов, сиенитов). Многолетнее воз- действие атмосферных агентов (воздух, дождь, мороз, солн- це, ветер и т.п.) на полевошпатовые горные породы может быть выражено формулой:

R 2OAl2O3 6SiO2 +CO2 +H2O = Al2O3 2SiO2 2H2O+4SiO2 +R 2CO3 .

Глины по происхождению различают первичные и вто-

ричные.

Первичные (элювиальные) остались на месте их обра- зования в результате разрушения исходных горных пород. Эти глины засорены обломками материнских горных пород.

Вторичные глины (осадочные) образовались в виде осадков при переносе первичных глин водой, ледником, вет- ром. Эти глины засорены щебнем, гравием, имеют слоистое строение.

Для каждого месторождения глин имеется геологиче- ский отчет, в котором приводится характеристика глин по их происхождению.

Различают вещественный, минералогический, грану- лометрический и химический состав глин.

Вещественный состав. Вещественный состав глин рассматривают путем деления глинистой породы на собст- венно глинистое вещество и примеси.

Глинистым веществом называют наиболее дисперс- ную фракцию глинистой породы – это механическая смесь частиц размером менее 1 – 5 мкм или 0,001 – 0,005 мм, кото- рые представлены глинообразующими минералами. Основ- ные свойства глин: водопотребность, пластичность, усадка,

24

огнеупорность – зависят от вида и количества минералов, присутствующих в глинах.

Все глинообразующие минералы являются водными алюмосиликатами, имеют слоистое (пакетное) строение кри- сталлической решетки. Отдельные пакеты решетки образова- ны закономерно повторяющимися слоями из тетраэдриче- ских групп с организующим катионом Si4+ и октаэдрических групп с организующим катионом Al3+.

Выделяют три основных минерала глин:

–каолинит – Аl2О3·2 SiО2·2 Н2О;

–монтмориллонит – Al 2 O3··4SiO2·H2O· nH2O;

–гидрослюды – K 2O· MgO· 4Al2O3·7SiO2·2H2O.

Если в глинах преобладает основной минерал (бо- лее 50 %), то они называются мономинеральными (каолини- товые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые).

Глины, содержащие два или более минералов, являют-

ся полиминеральными.

Все минералы глин имеют белый, слегка желтоватый цвет и отличаются между собой размером частиц и строением кристаллической решетки. Глинистые минералы имеют пакет- ное строение. Каждый слой содержит два структурных эле- мента, включающих тетраэдры [SiO4]–4 и октаэдры [AlO6]–9 .

Каолинит (Аl2О3·2SiО2·2Н2О). Двухслойный пакет его кристаллической решетки сложен одним тетраэдрическим и одним октаэдрическим слоем. На одном конце пакета, со стороны тетраэдров кремния, расположены кислородные ионы (О)2– , а на другом, со стороны октаэдров алюминия, – ионы водорода (Н)+ из группы (ОН)– (рис. 2, а). Такое рас- положение разноименно заряженных ионов обуславливает неподвижность и относительно плотное строение кристал- лической решетки каолинита со сравнительно небольшим межплоскостным расстоянием (72 нм). Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно от-

25

дает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита 1– 3 мкм, твердость по шкале Мооса –1, в каолините содер-

жится 39,5 % Al2O3.

Монтмориллонит (Al2O3··4SiO2·H2O·nH2O). Пакет его кристаллической решетки образован двумя наружными тет- раэдрическими слоями и одним внутренним октаэдриче- ским слоем (рис. 2, б). Концы обоих наружных слоев, буду- чи одноименно заряжены (анионы О2-), обуславливают сла- бую связь между пакетами. Межпакетное пространство довольно велико (9,6–21,4 нм), и оно может возрастать (па- кеты могут раздвигаться) под воздействием вклинивающих- ся молекул воды.

Кристаллическая решетка монтмориллонита является подвижной, способна поглощать большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении с увеличением в объеме до 17 раз. Размеры частиц монтмориллонита очень тонкие (менее 1 мкм).

Рис.2. Схема кристаллической решетки: (а) каолинита, (б) – монтмориллонита

26

Гидрослюды (K2O·MgO·4Al2O3·7SiO2·2H2O). Кристалли-

ческая решетка гидрослюд структурно сходна с решеткой монтмориллонита.

Пермские глины – в основном монтмориллонитовые, много поглощают воды, сильно набухают, плохо поддаются сушке, самые тонкодисперсные.

Примесями являются все компоненты глинистой по- роды, не входящие в состав глинообразующих минералов.

В примесях различают их тонкодисперсную часть и включения. Согласно стандарту включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм. Для глин, используемых в технологии грубой строительной керамики, к включениям относят зерна величиной более 2 мм.

Примеси окрашивают глины в различные цвета. Глины по цвету бывают красные, зеленые, синие, черные и т.д., что свидетельствует о присутствии в них примесей оксидов же- леза, хрома, марганца. Для глин определяют так же цвет по- сле обжига: светложгущиеся, беложгущиеся глины.

Кварцевые примеси (SiO2) встречаются в глине в виде кварцевого песка и тонкодисперсной кварцевой пыли. Они отощают глину, ухудшают ее формовочные свойства. Круп- ный кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а мелкий – ухудшает их. Обжиговые свойства глин кварце- вые примеси ухудшают, понижая трещиностойкость обож- женных изделий при их охлаждении.

Трещины в изделиях на стадии охлаждения возникают вследствие происходящих при Т = 575 ° С полиморфных пре- вращений кремнезема, сопровождающихся объемными изме- нениями зерен кварца. Они понижают прочность и морозо- стойкость обожженных изделий.

Карбонатные примеси – известняк (СаСО3), магнезит (MgCO3), сидерит (FeCO3) – встречаются в глинах в трех структурных формах:

27

–в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, составляющих с остальной частью поро- ды однородную массу.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь

при обжиге по схеме СаСО3 → СаО + СО2, обуславливают повышенную пористость керамического черепка и некоторое понижение его прочности. Такие примеси улучшают цвет изделий (осветляют их) и не являются вредными для произ- водства строительных материалов.

–в виде рыхлых примазок и мучнистых стяжений. Рыхлые примазки и скопления при механической обра-

ботке глины легко разрушаются и превращаются в равномер- но распределенную безвредную тонкодисперсную примесь, количество которой обычно невелико, и потому они сущест- венно не влияют на свойства глины.

– Крупные каменистые карбонатные включения (раз- мером 1–2 мм) являются вредными. Такие частицы после обжига при Т = 900–1150 ° С превращаются в белые пористые включения, вызывающие в изделиях характерные пороки, получившие название «дутика». Происходит растрескивание кирпича и изделий в том месте, где присутствуют такие включения

Примеси сидерита (FeCO3) могут повлиять на цвет глин (черный цвет) и снизить температуру обжига, т.к. при Т = 750–800 ° С идет разложение по схеме FeCO3 → FeO + СО2 (FeO имеет черный цвет). В присутствии FeO создается вос- становительная среда, при которой процессы плавления и обжига ускоряются.

Железистые примеси встречаются в виде тонкодисперс- ных равномерно распределенных бурых железняков (Fe2O3), гетита – FeO(ОН) и включений пирита (FeS2). Тонкодисперс- ные железистые примеси придают глине окраску от светло- коричневой до темно-красной, а обожженному керамическому черепку – от кремовой и бледно-розовой до красной.

28

При обжиге глины в окислительной среде все железо переходит в оксидную форму и окрашивает изделия в крас- ный цвет, а в восстановительной – в сине-зеленый или чер- ный. Красящее действие оксидов железа значительно ослаб- ляется при наличии в глине тонкодисперсных карбонатных примесей. В зависимости от соотношения Fe2O3 и СаО обож- женный черепок приобретает окраску от розового до светло- желтого тона.

Включения пирита (FeS2) вызывают на обожженных из- делиях появление железистых выплавок, а мелкодисперсные железистые включения – точечных черных пятен – « мушек».

Щелочные оксиды в примесях глин присутствуют обычно в виде полевошпатового песка (R2O · nAl2O3· mSiO2) и водорастворимых солей. Последние при сушке изделия мигрируют по капиллярам на его поверхность, а после обжи- га спекаются с черепком, образуя на внешней поверхности изделия белые налеты, портящие цвет черепка (в особенно- сти красный).

Сернокислая соль натрия (Nа2SО4) является вредной примесью. Она кристаллизуется в порах обожженного изде- лия с 10 молекулами воды и может вызвать его разрушение.

В зависимости от содержания водорастворимых солей на 100 г глины стандарт подразделяет сырье глинистое для керамической промышленности на группы: с низким содержа- нием – от 1,0 до 5,0 мг/экв; со средним содержанием – св. 5,0 до 10,0 мг/экв; с высоким содержанием – св. 10,0 мг/экв.

Гипсовые примеси (СаSО4 ·2Н2О, СаSО4) являются плав- нями, образуют на поверхности изделий белые выплавки.

Органические примеси (остатки растений, уголь) окра- шивают глину в черный цвет. В обжиге они выгорают, выде- ляя газы и обуславливая восстановительную среду внутри черепка. Эти явления полезны в производстве керамзита и,

29

наоборот, могут являться источником определенных пороков (пузыря) при обжиге изделий с плотным черепком.

Химический состав глин. Химический состав являет- ся важнейшей характеристикой глин и в значительной мере определяет их пригодность для производства изделий опре- деленного вида. Химический состав глин представлен сле- дующими основными оксидами: SiO2; Al2O3; Fe2O3; ТiО2;

СаО; MgO; K2O; Nа2O; ППП.

Кремнезем (SiO2) находится в глинах в связанном и свободном состоянии. Связанный кремнезем входит в со- став глинообразующих минералов, а свободный представ- лен примесями кварцевого песка. Выделение в результате химического анализа содержания свободного кремнезема является особо важным при оценке глин для производства керамзита. Общее содержание кремнезема в глинах состав- ляет 55–65 %, а в запесоченных достигает 80–85 %.

Глинозем (Al2O3) находится в глинах в основном в свя- занном состоянии. Он является наиболее тугоплавким оксидом. С повышением его содержания в глинах их огне- упорность возрастает. Содержание глинозема косвенно от- ражает относительную величину глинистой фракции в гли- нистой породе.

По содержанию глинозема Al2O3 + ТiО2 глины различают:

–высокоглиноземистые – с содержанием более 45 %;

–высокоосновные – от 38 до 45%;

–основные – от 28 до 38 %;

–полукислые – от 15 до 28 %;

–кислые – менее 15 %.

В кирпичных глинах содержится от 10–15 % глинозе- ма, в огнеупорных до 32–35 %.

Оксиды щелочеземельных металлов (СаО, MgO) входят обычно в состав карбонатов – кальцита и доломита.

30