Керамические материалы. Тажибаева. Учебное пособие керамические материалы
 Скачать 3.55 Mb.
|
|
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Рудненский индустриальный институт Кафедра строительства и строительного материаловедения УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ» по дисциплине «Технология керамических материалов» для студентов специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Рудный 2018 2 УДК 666.3 ББК 26.342 Т.13 Рецензенты: Рахимов М.А. – к.т.н., доцент Карагандинский государственный технический университет Мирюк О.А. – д.т.н., профессор, Рудненский индустриальный институт Тажибаева Д.М. Т.13 Учебное пособие «Керамические материалы» по дисциплине «Технология керамических материалов» - Рудный, РИИ, 2018. – 107 с. Ил. 41, табл. 4, список лит. 25 назв. ISBN 978-601-7554-69-9 Изложены основы производства керамических строительных материалов. Приведена номенклатура керамических строительных материалов. Рассмотрены технологии производства керамического кирпича, плиток для внутренней облицовки стен, керамической черепицы разными способами производства. Описаны процессы сушки и обжига. Пособие предназначено для студентов специальности 5В073000 – «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». УДК 666.3 ББК 26.342 Т.13 ISBN 978-601-7554-69-9 © Тажибаева Д.М., 2018 ©Рудненский индустриальный институт, 2018 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1 История развития керамических изделий 5 2 Классификация керамических изделий 9 2.1 Стеновая керамика 13 2.2 Материалы для наружной облицовки 18 2.3Материалы для внутренней облицовки 23 2.4Санитарно-технические изделия 28 2.5 Кровельная черепица 29 2.6 Клинкерный кирпич 30 2.7 Керамические трубы 31 2.8 Керамические изделия специального назначения 32 3 Сырье для производства керамических материалов 34 4 Добавки к глинам для керамических материалов 38 4.1 Отощающие добавки 38 4.2 Флюсующие добавки 42 4.3 Выгорающие добавки 44 4.4 Пластифицирующие добавки 46 4.5 Специальные добавки 46 5 Способы производства керамических изделий 47 6 Формование керамического кирпича пластическим способом 49 7 Формование керамического кирпича методом полусухого прессования 54 8 Сушка керамических изделий 57 9 Обжиг керамических изделий 59 10 Технология производства керамической плитки для внутренней облицовки стен 63 11 Технология изготовления глазурованной плитки методом литья 67 12 Технология производства ковров из литых керамических плиток 76 13 Технология изготовления керамической черепицы 83 14 Ресурсосбережение в технологии керамических материалов 90 Список использованных источников 94 Приложение А. Основные этапы в истории керамической технологии 96 Приложение Б. Глоссарий 97 4 ВВЕДЕНИЕ Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, по лученные в результате технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких температурах. Само слово «керамика» происходит о т греческих слов keramos – глина и keramikos – гончарное искусство. Иными словами, керамические изделия изготовляют из глины путем придания ей в пластическом состоянии заданной формы с последующими процессами сушки и обжига. Производство керамических изделий – одно из самых древних ремесел. Начиная с каменного века изготовлялись простые глиняные сосуды как необходимая утварь для хранения пищи и воды. В эпоху палеолита существовали сделанные из глины скульптуры людей и животных. Когда человек научился добывать огонь, производство керамических изделий сделало большой шаг вперед. Изделия из глины, обожженные для придания им твердости, были известны еще за 15 тыс. лет до н.э. Искусство керамики – изготовление различных предметов из глины – древнейший вид народного ремесла. С незапамятных времен керамические изделия служили человеку. Повсюду, где имелись природные запасы глины, пригодной для обработки, мастера-гончары создавали всевозможные по форме и декору цветочные горшки, кувшины, миски, фляги, блюда, вазы и многие иные предметы, необходимые в быту. Пластичность глинистого материала, его тональность, колористическое многообразие глазурей, которые придают изделиям сочную и пеструю окраску, способствовали тому, что керамические изделия выполняли не только исключительно утилитарную функцию, они становились произведениями искусства. Керамика разных эпох отмечена характерными чертами своего времени. Интерес к ней сохраняется и в настоящее время. Ныне керамика широко используется в отделке фасадов зданий, оформлении интерьеров, в садово-парковой архитектуре, в декоративно-прикладном искусстве. Простота технологии и неисчерпаемая сырьевая база для производства керамических изделий самых разнообразных видов предопределили их широкое и повсеместное распространение. Этому способствуют также высокая прочность, долговечность, экологическая безвредность и декоративность керамики. И в настоящее время керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений [1]. 5 1 История развития керамических изделий Керамика всегда была и есть на стыке науки, технологии и искусства. История керамики уходит глубоко в глубь тысячелетий. Древнейшая керамика и сейчас продолжает служить науке, помогая изучать пути развития человечества. Как известно с глубокой древности, глинистые материалы при обжиге образуют прочный материал, имеющий достаточно сложную структуру, в которой присутствуют частички разного состава и размера, такие материалы называются керамическими. Одно из первых изделий из обожженной глины датируется XXIII тысячелетием до н.э. Несмотря на то, что техника обжига глиняной посуды была известна уже в течение многих тысячелетий, производство обожженного кирпича началось много позже, примерно 4000 лет до н.э. в Месопотамии, причем первоначально его использовали для облицовки выложенных из глиносырцового кирпича стен (рисунок 1). Рисунок 1 – Кирпичная кладка храма в Месопотамии, 4 тыс. лет до н.э. Через тысячу лет там же было освоено производство цветного кирпича (рисунок 2). Первые кирпичи формовали в деревянных формах, а обжигали в, так называемых, напольных печах (рисунок 3). Такого типа печи в некоторых странах используют и в наши дни, особенно там, где имеется дешевое топливо. 6 Рисунок 2 – Цветной и рельефный кирпич в Месопотамии, Вавилон Рисунок 3 – Напольная печь для обжига кирпича, ЮАР В Древнем Египте применение кирпича прижилось несколько позже, интересно, что уже в ту пору архитекторы весьма обстоятельно подходили к выбору материала для того или иного здания. Не случайно в Древнем Египте родилась поговорка «гранит и мрамор для богов и мертвых, керамика – для живых». Глубоко символично, что описаниеизготовления кирпичапопало в библейские сказания, на настенных росписях храмов мы можем видеть 7 изображения его производства (рисунок 4). В деталях демонстрируется ручное производство кирпича в точном соответствии с текстом Библии. Рисунок 4 – Настенные росписи храма. Древний Египет, 1450 г. до н.э. Существенные изменения в технологию обжига кирпича внесли римляне, ими были сконструированы печи, которые позволяли получать более качественный кирпич (рисунок 5). Рисунок 5 – Кирпич в древней застройке Рима Шаг за шагом расширялась сырьевая база керамики, так при строительстве соборов в Константинополе применяется легкий кирпич, 8 изготовленный с применением кизельгура (диатомита). По Великому Шелковому пути, проложенному еще во времена Римской империи, многие страны поддерживали контакты с Китаем, где искусство керамики достигло наивысшего расцвета. Самая ранняя керамика в Китае – посуда из белой глины – датируется вторым тысячелетием до н.э. Китайские гончары придумали многоступенчатую печь, температура в которой достигала 1200°С (рисунок 6), это позволило получать тугоплавкие изделия. Рисунок 6 – Многоступенчатая печь, Древний Китай При производстве керамики китайские мастера придавали исключительное значение соответствующей подготовке глины. Для этого использовались самые различные приспособления, которые по своему функциональному назначению очень напоминают бегуны мокрого помола (рисунок 7). Исключительное внимание уделялось процессу вылеживания глины. В Китае говорили, что дед готовит сырье для внука. Рисунок 7 – Китайская гравюра. Процесс подготовки глины Китайские мастера достигли непревзойденных высот в создании как тонкой, так и строительной керамики [2]. 9 2 Классификация керамических изделий Существуют несколько классификаций строительных керамических изделий и материалов, а именно – по плотности, прочности и назначению. Более обширной является классификация по назначению: - стеновые – к ним относятся кирпич и камни; - отделочные – плитки, которые в свою очередь подразделяются на плитки для полов, фасадные, для внутренней облицовки стен; - кровельные: разновидности глиняной черепицы; - теплоизоляционные: диатомитовый кирпич, легкие искусственные заполнители для бетона – керамзит, аглопорит; - огнеупорные - динас, шамот, окисная керамика; - кислотоупорные – резервуары, трубы, плиты; - санитарно-технические изделия: умывальники, ванны, раковины, унитазы, трубы дренажные и канализационные. В некоторых источниках, трубы выделяют в отдельную категорию. По плотности керамические строительные изделия делят на: плотные, характеризующиеся водопоглощением менее 5% (плитка для полов, дорожный кирпич), и пористые – с водопоглощением более 5% (облицовочные плитки, камни, глиняный кирпич, черепица). По прочности, морозостойкости делятся на марки (например, марка кирпича 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300). По температуре плавления керамические материалы и изделия подразделяются на: - легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350°С), - тугоплавкие (с температурой плавления 1350 – 1580°С), - огнеупорные (1580 – 2000°С), - высшей огнеупорности (более 2000ºС). По качеству переработки сырья керамику делят на грубую и тонкую: - грубая: кирпич, черепица, плитки фаянсовые и для полов; - тонкая: фарфор и полуфарфор. Общая классификация керамических материалов и изделий представлены в таблице 1. 10 Таблица 1 – Общая классификация керамических материалов и изделий Назначение Основные изделия Основное исходное сырье Способ производства изделий Температура обжига, ºС Вид черепка Вид керамики Конструкционная керамика Керамический кирпич и камни, панели из них, кирпич для дымовых труб Глина легкоплавкая, кварцевый песок, промышленные отходы угледобычи и углеобогащения, кремнеземистые осадочные породы Пластический, жесткий, полусухой 950-1100 Пористый, грубозернистого строения Грубая (грубозернистая терракота) Облицовочная керамика Кирпич и камни лицевые Глина легкоплавкая и тугоплавкая красножгущаяся и светложгущаяяся, кварцевый песок, шамот Пластический, жесткий, полусухой 950-1100 Пористый, грубозернистого строения Грубая (грубозернистая терракота) Плитки облицовочные Глина тугоплавкая и огнеупорная светложгущаяяся, кварцевый песок, полевой шпат, каолин Полусухой со шликерной подготовкой массы, пластический 1000-1200 Пористый или спекшийся, макрооднородного строения Тонкая (терракота, фаянс), «каменная» Кровельная керамика Черепица Глина легкоплавкая, кварцевый песок, шамот Пластический, полусухой 950-1100 Пористый, однородный, зернистого строения Грубая (терракота) Санитарно- техническая керамика Умывальники, раковины, сливные бачки и др. Глина беложгущаяся огнеупорная, каолин, кварцевый песок, шамот, полевой шпат Литьем в гипсовых формах 1150-1300 Пористый или спекшийся Тонкая (фаянс, полуфарфор, фарфор) Трубы Дренажные Глина легкоплавкая, кварцевый песок Пластический 1000-1050 Пористый Грубая (терракота) Канализационные Глины огнеупорные или тугоплавкие, шамот, каолин, кварцевый песок Пластический 1250-1300 Пористый и спекшийся Грубая 11 Продолжение таблицы 1 Дорожные материалы Клинкерный кирпич, плитка Тугоплавкие глины, шамот, песок Пластический, полусухой 1250-1300 Спекшийся «Каменная» (керамогранит) Специальная керамика - кислотоупорная Кирпич, плитка Глина беложгущаяся огнеупорная, каолин, кварц, полевой шпат, шамот, тугоплавкая глина Пластический 1200-1300 Спекшийся «Каменная», кислотоупорный фарфор - огнеупорная Кирпич, камни, фасонные изделия Огнеупорная глина, каолин, шамот Пластический, полусухой, трамбование из порошковых масс 1350-2000 Пористый и спекшийся Алюмосиликатная - теплоизоляционная Кирпич, плиты, скорлупы Трепел, диатомит, пенообразователи, опилки, перлит Пластический, литьевой 850-100 Высокопористый, ячеистый Грубая высокопористая - огнеупорная теплоизоляционная Плиты, войлок, рулонный материал, бумага, картон, фетр Муллито- кремнеземистая вата, бентонитовая, каолинитовая глины, пенообразователь, каолин Вибропрессован ие, прессование, литье 1200-2000 Высокопористый, ячеистый, волокнистый Огнеупорная высокопористая Декоративно- художественная керамика Изразцы, декоративные детали, скульптура, вазы Глина легкоплавкая и тугоплавкая, кварцевый песок, шамот Пластический, полусухой, трамбование, литье 950-1100 Пористый, грубо или тонкозернистый Грубая (терракота) 12 Основными традиционными видами архитектурно-художественной керамики являются: терракота, майолика, фаянс, фарфор, каменная масса. Терракота (итал. terracotta – обожженная земля) представляет собой неглазурованный пористый керамический материал с цветным оттенком. Для терракоты характерна гамма оттенков от бледно-розового, желтовато- кремового и сероватого до кирпично-красного, иногда вишневого. Окраска зависит от количества примесей железа в исходной массе. Терракота нахо дит широкое применение в изделиях строительного, бытового и художественно го назначения (стеновые материалы, архитектурные детали, фигурные части архитектурной отделки, фасадные плитки, изразцы, вазы, садово-парковая скульптура). Майолика (старое название острова Майорка – Majolika, откуда ввозилась в Италию испано -мавританская глазурованная керамика). В XIV– XV вв. так называлась любая глазурованная керамика, но в современном декоративно-художественном искусстве майоликой называют фаянсовые изделия с белым или цветным оттенком, расписанные красками по свежей, еще не обожженной глазури. Майолика – пористый материал с гладкой или рельефной поверхностью, покрытый глазурью. Применяется для изготовления бытовых и художественных изделий (кувшинов, ваз, статуэток), а также для архитектурно-художественного оформления интерьеров. Фаянс (итальянский город Фаэнца – один из центров производства глазурованной керамики) – твердый мелкопористый материал белого цвета, отличается от фарфора непрозрачностью и большим водопоглощением (от 5 до 12 %), из-за чего его покрывают глазурью. Фаянс не просвечивает. Применяется в производстве облицовочной плитки и посуды, декоративных и санитарно-технических изделий (наряду с фарфором и полуфарфором). По своим техническим, а также гигиеническим свойствам фаянс значительно уступает фарфору, его стоимость значительно ниже последнего. Полуфарфор – тонкокерамический материал, занимающий по составу и своим основным свойствам среднее положение между фарфором и фаянсом. Он характеризуется высокой плотностью и почти совсем не просвечивает. Из полуфарфора изготовляют различную посуду и санитарно- технические изделия. Фарфор – представляет собой белый плотный спекшийся, непроницаемый для жидкостей и газогазов (даже в неглазурованном виде) керамический материал с раковистым изломом. Фарфор просвечивает в тонких слоях. Легкие удары деревянной палочкой о край фарфорового изделия вызывают чистое и продолжительное звучание. Он характеризуется высокой механической прочностью, термостойкостью и химической стойкостью, отсутствием открытой пористости. Его водопоглощение менее 0,5 %. Применяется для изготовления санитарно-технической, бытовой и художественной керамики. Фарфоровые изделия санитарно-технического 13 назначения также покрывают глазурью для придания им гладкости и повышения санитарно-гигиенических свойств. Каменная масса – близкий к фарфору плотный материал, отличается от последнего цветом (преимущественно серый, коричневый) и непрозрачностью. Это т материал имеет высокую механическую прочность, устойчивость к химическим воздействиям и высокую термостойкость. Из каменной массы изготовляют изделия технического назначения, в частности химическую аппаратуру, кухонную посуду и декоративные изделия [1, 3]. 2.1 Стеновая керамика Керамический кирпич – строительный материал, полученный из глин путем формования и обжига. Кирпич глиняный обыкновенный имеет размеры 250×120×65 мм (одинарный), 250×120×88 мм (утолщенный), 288×138×63 мм (модульный) и 288×138×88 мм (модульный утолщенный). Самая большая грань кирпича называется постелью, боковая – ложком, торцевая – тычком (рисунок 8). а – постель; б – ложок; в – тычок Рисунок 8 – Кирпич керамический обыкновенный Кирпич глиняный обыкновенный применяется для кладки наружных и внутренних стен, столбов, фундаментов, сводов и других частей зданий, в которых полностью используется его высокая прочность. Обычный строительный кирпич имеет довольно высокую плотность (1600 – 1800 кг/м 3 ) и высокую теплопроводность, поэтому приходится возводить наружные стены большей толщины, чем это требуется по расчету на прочность. В подобных случаях более эффективно применение не столь прочного, но менее теплопроводного пустотелого, пористо-пустотелого и легкого кирпича. Пустотелый кирпич имеет круглые отверстия, прямоугольные или щелевые пустоты. Пористо-пустотелый кирпич получают аналогично пустотелому, но в глину вводят выгорающие добавки. Кирпич строительный легкий изготовляют как из глины с выгорающими добавками, так и из диатомитов или трепелов с выгорающими добавками и без них. Пустотелый кирпич применяется для наружных и внутренних стен зданий, а также в цоколях зданий выше гидроизоляционного слоя. Его нельзя применять для фундаментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного 14 слоя и для стен помещений с повышенной влажностью. Легкий кирпич используется для наружных и внутренних стен зданий с нормальной влажностью помещений. Виды кирпичей представлены на рисунке 9. Слева – рядовой кирпич, справа – лицевой Фактурный кирпич Фасонный кирпич Одинарный, полуторный и двойной кирпичиПустотелый кирпич Поризованный кирпич Рисунок 9 – Виды кирпичей 15 Качество кирпича определяет ГОСТ 530–2007. Кирпич должен быть морозостойким, т.е. выдерживать частые изменения температуры без видимых признаков разрушения, сцепляться накрепко со строительным раствором. Поэтому его пористость должна быть не менее 6–8%, но не более 20 %. Кирпич имеет марки по прочности: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, ч то соответствует пределу прочности при сжатии, выраженному в кгс/см 2 Марки по морозостойкости (выражены в циклах попеременного замораживания и оттаивания): 15, 25, 35, 50. Масса кирпича обыкновенного не должна превышать 4,3 кг, а его теплопроводность составляет 0,6 – 0,8 Вт/(м·К) [4]. Кирпич пустотелый, пористо-пустотелый и легкий имеет те же размеры, что и обыкновенный кирпич, но легче последнего по массе, что дает возможность снизить массу стены и повысить ее теплофизические свойства. Пустотелый кирпич изготовляют со сквозными и несквозными круглыми, щелевидными, реже овальными или квадратными пустотами (рисунок 10). 1, 6 – для отделки дверных и оконных проемов; 2, 8, 9 – для кладки наружных и внутренних стен и облицовочных работ; 3 – для кладки наружных и внутренних стен, печей, каминов, фундаментов; 4 – для декорирования оконных проемов; 5, 7 – камень для облицовочных работ; 10, 11 – для строительства декоративных беседок, заборов, ограждений Рисунок 10 – Виды пустотелого кирпича 16 Пустотелые керамические камни имеют следующие размеры (мм): – камень обычный – 250×120×138; – камень модульных размеров – 288×138×138; – камень модульных размеров укрупненный – 288×288×88. Керамические камни имеют больший размер, чем кирпич, поэтому их выпускают только пустотелыми. Их плотность колеблется в пределах 1300– 1450 кг/м 3 , марки по прочности 75, 100, 125 и 150. Керамические камни используют для кладки несущих стен одноэтажных и многоэтажных зданий и для внутренних несущих стен и перегородок. Применение этого материала позволяет снизить толщину и массу стеновых конструкций и уменьшить количество швов по сравнению с обычной кирпичной кладкой. Пустотелый кирпич с плотностью не более 1400 кг/м 3 и камни с плотностью не более 1450 г/м 3 относятся к эффективным. Они имеют преимущества перед полнотелым кирпичом, так как обладают пониженной массой и лучшими теплозащитными свойствами, что позволяет уменьшить толщину возводимых стен, сократить расход кирпича на кладку, уменьшить массу строительной конструкции и ее нагрузку на фундамент. Об этом говорят технико-экономические показатели производства и применения эффективных пустотелых керамических изделий по сравнению с показателями для полнотелого кирпича: – снижение расхода сырья – 25– 30 %; – снижение расхода топлива – не менее 10 %; – сокращение расхода стеновых материалов – до 30 %; – сокращение трудовых затрат – до 15 %; – уменьшение себестоимости – 10–20 %. Кроме того, такие изделия не деформируются, а их применение в строительстве, благодаря пониженной теплопроводности, позволяет снизить толщину наружных стен зданий на 25– 30 %. Приведенные затраты на 1 м 2 стены, выложенной из эффективного кирпича, снижаются по сравнению с кладкой из полнотелого кирпича на 30 %. Материалы для наружной (фасадной) облицовки зданий и сооружений включают в себя лицевой кирпич и камни, крупноразмерные облицовочные плиты и фасадную плитку, ковровую мозаику, различные архитектурные детали (терракоту). Крупноформатные пустотелые блоки – новое поколение керамических стеновых материалов. Сохранив в себе преимущества керамического кирпича: экологичность, долговечность, комфортный микроклимат в доме – они за счет своих крупных размеров и высокой пустотности обеспечивают значительную экономию времени и средств на строительные работы, обладают отличными теплоизоляционными свойствами. Они имеют размеры от 250×120×138 до 510×240×215 мм и массу от 3,8 до 21 кг, марочную прочность М100 и М150, морозостойкость – 50 циклов. Примеры пустотелых блоков приведены на рисунках 11, 12. 17 Рисунок 11 – Крупноформатные многопустотные керамические блоки Рисунок 12 – Современные керамические материалы 18 |