книги / Строительные материалы

Техническим показателем пластичности является чис­ ло пластичности

где WT и Wp — значения влажности, соответствующие пределу теку­ чести и пределу раскатывания глиняного жгута, % (рис. 3.3).

Для производства строительных керамических изде­

ны с П л > 15 растрескиваются при сушке и требуют отощения.

Связующая способность глины проявляется в связы­ вании зерен непластичных материалов (песка, шамота, и др.), а также в образовании при высыхании достаточ­ но прочного изделия — сырца. Связующую способность глиняных строительных растворов используют при клад­ ке печей, труб.

2. Отвердевание глины при высыхании и усадка

Особенность глиняного теста — в способности отвер­ девать при высыхании на воздухе. Прочность высушен­ ной глины обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуют их разъединению, вследствие этого проис­ ходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, час­ тицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина

размокает.

Усадка — это уменьшение линейных размеров и объе­ ма 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 ко­ леблется от 2—3 до 10—12 % в зависимости от содер­ жания тонких фракций. Для уменьшения усадочных на­ пряжений к Жирным глинам добавляют отощители. По­ верхностно-активные вещества (СДБ и др.), введенные в глиняную Масу в количестве 0,05—0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку.

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавля­

ются, и частицы глины в местах их контакта сближают­ ся. Огневая усадка может составлять 2—8 % в зависи­ мости от вида глины.

Полная усадка, равная алгебраической сумме воз­ душной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18 %• Со­ ответственно увеличивают размеры форм, чтобы полу­ чить готовое изделие необходимых размеров.

3. Переход глины при обжиге

вкамневидное состояние

Впроцессе высокотемпературного обжига глина пре­ терпевает физико-химические изменения. Сначала ис­ паряется свободная вода, затем выгорают органичес­ кие вещества. При температуре 700—800 °С происходит разложение безводного метакаолинита Al20 3*2Si02, ко­ торый образовался ранее (при 450—600°С) вследствие дегидратации каолинита; затем АЬ03 и SiCb при повыше­

нии температуры (до 900 °С и выше) вновь соединяются, образуя искусственный минерал — муллит 3Al20 3-2Si02. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневид­ ное состояние. Вместе с образованием муллита расплав­ ляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при 950—1000 °С. Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и на­ копление жидкой фазы — силикатного расплава, кото­ рый не только цементирует частицы глины, но и уплот­ няет керамический материал. В результате получают изделия с плотным керамическим черепком, отличаю­ щимся малым водопоглощением (менее 5 %)•

Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, его добавляют для отощения высокопластичных глин. Кварц претерпевает полиморфные превращения, сопро­ вождающиеся объемными изменениями. Наиболее часто встречающийся в природе p-кварц при 573 °С обратимо переходит в а-кварц с увеличением объема на 0,82%; эта форма устойчива до 1050 °С. Поэтому при охлажде­ нии керамических изделий, обожженных до 1050 °С, а-кварц снова переходит в p-кварц с соответствующим уменьшением в объеме. При температуре выше 1050 °С

а-кварц переходит в а-кристобалит, который, в свою очередь, в интервале температур 1400—1450°С перехо­ дит в а-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц плавится при 1723 °С. Изменения объема зерен кварца, происходящие в процессе обжига, влияют на прочность

ирастрескивание керамического изделия.

4.Спекаемость

Спекаемостыо глин называют их свойство уплотнять­ ся при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

На рис. 3.4 видно, что с повышением температуры обжи­ га возрастает степень спекания и уменьшается водопоглощение до точки С, так как при температуре tc отме­ чаются признаки пережога — оплавление и вспучивание материала. Интервал спекания равен tc—tA, где tA— температура начала спекания. Интервал спекания лег­ коплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50—100 °С, огнеупорных глин — 400 °С.

Огнеупорные глины (и изделия из них) противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится при 1770°С, однако различные примеси (Fe203, СаС03 и др.) пони­ жают эту температуру. Представляя собой сложные при­ родные смеси, глины не имеют определенной температу­ ры плавления. При 750—800°С вследствие частичного плавления легкоплавких эвтектических смесей начина­ ется уплотнение черепка и закрытие пор, т. е. происхо­ дит спекание.

Цвет глины после обжи­ га имеет существенное зна­ чение для облицовочных ке­ рамических изделий (лице­ вые кирпич и керамические камни, терракотовая плит­ ка), а также для тонкой ке­ рамики. Для получения бе­ лого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных СО и Нг в газах) и при опреде­

крупные зерна пирита FeS2 и оксидов железа, образую­ щие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободного оксида железа при нагревании между 450 и 800 °С придает изделию красноватое и желтоватое окра­ шивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка.

Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую массу добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома и др.).

§ 4. ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ

1. Обработка глиняной массы

Производство керамических изделий включает следу­ ющие этапы: карьерные работы, механическую обра­ ботку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.

Карьерные работы включают добычу, транспортиро­ вание и хранение промежуточного запаса глины. Выле­ живание замоченной глины и ее вымораживание в тече­ ние годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.

Механическая обработка глины осуществляется с по­ мощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: вы­ делить либо измельчить каменистые включения, гомоге­ низировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделя­ ют из глины, пропуская ее через винтовые камневыдели­ тельные вальцы или применяя другие специализирован­ ные машины. Можно добиться полного выделения кам­ ней из глины гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропус­ кают через сито, на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распыли­ тельных 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 гли­ ну надо промять, чтобы получить глиняную масу с необ­

ходимой формовочной влажностью. На кирпичных заво­ дах глину проминают в открытых лопастных глиномял­ ках с водяным орошением и паровым увлажнением гли­ няной массы. Паровое увлажнение увеличивает произ­ водительность ленточных прессов и снижает потребляе­ мую ими мощность на 15—20 % по сравнению с водя­ ным орошением глины.

2. Формование

Стеновые керамические изделия изготовляют спосо­ бами пластического формования и полусухого прессова­ ния. Из жидких глиняных масс (шликеров) изготовляют некоторые виды облицовочной плитки, санитарно-техни­ ческие и другие фаянсовые и фарфоровые изделия.

Способ пластического формования. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть ваку­ умными и безвакуумными (рис. 3.5). В корпусе этого пресса вращается шнек — вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса, поступающая через воронку и питаю­ щий валик, перемещается с помощью шнека к сужаю­ щейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук лен­ точного пресса для производства обыкновенного кирпи­ ча имеет прямоугольное сечение. Для формования пус­ тотелых кирпича и керамических камней в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник, состоящий из скобы с прикрепленными к ней стержня­ ми — пустообразователями. Применяются также фасон­ ные вставки с узкими щелями — для формования чере­ пицы, кольцевые — для керамических труб.

Из мундштука пресса выходит глиняный брус, кото­ рый разрезают автоматически резательным аппаратом, получая изделия заданного размера. Отбор сырца от пресса и укладку его на транспортные средства выпол­ няют автоматы. Плотный вакуумированный сырец уста­ навливают рядами на печную вагонетку и он поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакууми­ рование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить формовочную влажность на 3—4 % и вследствие этого улучшает ее формовочные и прочностные свойства. Проч­ ность сырца возрастает в 2—3 раза, т. е. примерно в 1,5 раза упрочняется высушенное изделие, прочность обож:*

Рис. 3.5. Схема устройства ленточного пресса

/ — мундштук; 2 — головка пресса; 3 — цилиндр пресса; 4 — лопасти шнека; 5 — воронка

женного изделия увеличивается до 2 раз, его водопоглощение снижается на 10—15 %.

Способ полусухого прессования. Керамические изде­ лия формуют способом полусухого прессования из ших­ ты с влажностью 8—10%, уплотняемой прессованием под значительным давлением (15—40 МПа). Керамичес­ кие пресс-порошки должны иметь определенный зерно­ вой состав и влажность. Их готовят шликерным и су­ шильно-помольным способами.

При сушильно-помольной подготовке глины предус­ матривают следующие операции: дробление глины на дезинтеграторных вальцах; сушку глины в сушильных барабанах; помол высушенной глины в корзинчатых дез­ интеграторах; отсеивание крупных зерен на ситах; ув­ лажнение порошка, прошедшего через сито, паром до равномерной влажности 8—10 %, необходимой для прес­ сования.

Для полусухого способа производства целесообразно применять глины с небольшой естественной влажностью, не требующие сушки перед помолом. Способ полусухого прессования применяют в производстве обыкновенного и пустотелого глиняного кирпича, фасадных плиток. Глав­ ное преимущество полусухого прессования перед пласти­ ческим формованием — сокращение затрат энергии. На искусственную сушку 1000 шт. сырца пластического фор­ мования влажностью 18—22 % расходуется до 100 кг условного топлива.

Способ литья. Рассмотрим особенности способа литья применительно к производству тонких (толщиной

нельных сушилках 16—36 ч при начальной температуре теплоносителя 120—150 °С.

Камерные сушилки представляют собой систему ка­ мер, каждая камера обогревается горячим воздухом или горячими газами, отходящими из печей. В стены камер встроены лопастные реверсивные вентиляторы, создаю­ щие интенсивную циркуляцию теплоносителя внутри ка­ меры. После сушки керамические изделия, имеющие влажность не более 5 %, поступают в печь.

4. Обжиг изделий

Обжиг завершает изготовление керамических изде­ лий. В процессе обжига,формируется их структура, опре­ деляющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг достигают 35—40 %, а потери от бра­ ка достигают 10 % себестоимости товарной продукции.

Обжиг керамических изделий осуществляется в тун­ нельных печах с автоматическим управлением (хотя на действующих кирпичных заводах работает значительное количество кольцевых печей). Туннельная печь пред­ ставляет собой длинный канал, выложенный внутри ог­ неупорной футеровкой (рис. 3.7). Вагонетки с изделия­ ми, составляющие сплошной поезд, перемещаются в пе­ чи и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения: при подаче новой вагонетки с сырцом в зо­ ну подогрева из зоны охлаждения выходит вагонетка с обожженными изделиями.

Максимальная температура обжига кирпича и дру­ гих стеновых керамических изделий (950—1000°С) не­ обходима для спекания керамической массы. Спекание

Топливо

происходит вследствие цементирующего действия расп­ лава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твер­ дой фазе и кристаллизации новообразований.

При избыточном количестве расплава, что характер­ но для пережога, изделия теряют форму, оплавляются с поверхности. Недожог обусловлен незавершенностью процесса спекания. Он проявляется в характерных приз­ наках: «алый» цвет кирпича, снижение прочности, силь­ ное уменьшение водостойкости и морозостойкости. В тун­ нельных печах щелевого типа достигается равномер­ ность обжига, а следовательно, высокое качество и однородность продукции. После выгрузки из печи их сортируют с учетом технических условий, приводимых

вГОСТах.

§5. СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Пористость керамического черепка (пористых изде­ лий) обычно составляет 10—40%, она возрастает при введении в керамическую массу порообразующих доба­ вок. Стремясь снизить плотность и теплопроводность, прибегают к созданию пустот в кирпиче и керамических камнях.

Водопоглощение характеризует пористость керами­ ческого черепка. Пористые керамические изделия имеют водопоглощение 6—20 % по массе, т. е. 12—40% по объе­ му. Водопоглощение плотных изделий гораздо меньше: 1—5 % по массе (2—10 % по объему).

Теплопроводность абсолютно плотного керамического черепка большая — 1,16 Вт/(м-°С). Воздушные поры и пустоты, создаваемые в керамических изделиях, снижа­ ют плотность и значительно уменьшают теплопровод­ ность, так, например, снижение плотности стеновых кера­ мических изделий с 1800 до 700 кг/м3 понижает их теп­ лопроводность с 0,8 до 0,21 Вт/(м-°С). Соответственно уменьшается толщина наружной стены и материалоем­ кость ограждающих конструкций.

Прочность зависит от фазового состава керамическо­ го черепка, пористости и наличия трещин. Марка стено­ вого керамического изделия (кирпича и др.) по прочнос­ ти обозначает предел прочности при сжатии, однако при установлении марки кирпича наряду с прочностью при сжатии учитывают показатель прочности при изгибе, по­

скольку кирпич в кладке подвергается изгибу. Изделия с пористым черепком выпускаются марок 75—300, а плотные изделия (дорожный кирпич и др.) — более вы­ соких марок (400—1000).

Между прочностью керамического черепка Rcж и его

где Ro — предел прочности при сжатии абсолютно плотного черепка; Кал — коэффициент плотности; Кал = рт/р; Pm и р — соответственно

средняя плотность и истинная плотность керамического черепка.

Морозостойкость. Марка по морозостойкости обозна­ чает число циклов попеременного замораживания и от­ таивания, которое выдерживает керамическое изделие в насыщенном водой состоянии без признаков видимых повреждений (расслоение, шелушение, растрескивание, выкрашивание). Керамические изделия имеют марки по морозостойкости: 15, 25, 35, 50, 75, 100 в зависимости от своей структуры.

Керамический материал морозостоек, если в нем объем резервных пор достаточен для компенсации прироста объ­ ема замерзающей воды в «опасных» порах. К резерв­ ным относят открытые поры (диаметром больше 200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточ­ но для удержания воды, а также закрытые поры. «Опас­ ные» поры удерживают воду, замерзающую при слабых морозах (—10°С).

проницаемость нередко служит причиной отпотевания внутренней поверхности стен помещений с повышенной влажностью воздуха. Паропроницаемость зависит от пористости и характера пор. Например, коэффициент паропроницаемости фасадных плиток полусухого прес­ сования с водопоглощением 8,5; 6,5 и 0,25 % соответст­ венно равен 0,155; 0,0525 и 0,029 г/(м-ч-Па). Неодина­ ковая паропроницаемость слоев, из которых состоит наружная стена, вызывает накопление влаги. Так, фа­ садная облицовка стен глазурованными плитками может привести к накоплению влаги в контактном слое стена— плитка; последующее замерзание влаги вызывает отсло­ ение облицовки.

но