Керамические материалы. Тажибаева. Учебное пособие керамические материалы
 Скачать 3.55 Mb.
|
|
2.4 Санитарно-технические изделия Проблема водоснабжения и канализации жилищ возникла еще в Древнем Египте и Месопотамии. Наиболее сложные санитарно-технические устройства прошлого были созданы в Древнем Египте и Древнем Риме. По своим масштабам они нисколько не уступали современным сооружениям. Дальнейшее развитие санитарной техники приходится на Англию и Францию XVIII в. Тогда были изобретены ватерклозеты, началась разработка и изготовление санитарного фаянса – ванн, раковин, умывальников, унитазов. Их изготовляли из бело-жгущейся пластичной глины, каолина, кварца и полевого шпата и обжигали при очень высокой температуре. Кроме Англии и Франции, чуть позже подключилась к производству этих изделий Германия. Изделия заливали в гипсовые формы на гончарном круге. Далее их покрывали легкоплавкими глазурями, содержащими свинец. Когда санитарные изделия стали массовыми, составы фаянса упростились, а глазурь стали применять с большим содержанием глинозема и добавками окиси олова. В настоящее время керамические санитарно-технические изделия изготовляются из фарфора, полуфарфора и фаянса способом шликерного литья. К ним относятся: умывальные столы, унитазы, ванны, бидэ, писсуары, бачки смывные, фонтанчики питьевые и т.п. (рисунок 20). Рисунок 20 – Санитарно-технические изделия Данные изделия относятся к типу тонко керамических, отличаются пластичной и скульптурной формой и предназначены для создания бытового комфорта. Все санитарные керамические изделия глазуруют для придания им необходимых свойств и улучшения внешнего вида. Керамические санитарно- технические изделия отличаются декоративностью, универсальной химической стойкостью; благодаря твердой и гладкой поверхности легко чистятся, длительное время сохраняя свои свойства. Недостаток таких 29 изделий, как и керамики в целом, – высокая хрупкость. Несмотря на это керамика остается лучшим материалом для санитарно-технических изделий [2, 8]. 2.5 Кровельная черепица Керамическая черепица – один из старейших, долговечных и огнестойких кровельных материалов. В античную эпоху черепицей покрывали храмы и жилища. Позднее ее стали применять в странах с более суровым климатом. Дешевые кровли из соломы, теса и гонта (деревянной дощечки) были недолговечны и часто служили причиной пожара. Появление черепицы объясняется требованиями огнестойкости. Но в романской и готической архитектуре зодчие отдавали предпочтение черепице не только из-за данной особенности, оценивая высокую надежность и эстетичность этого материала. На протяжении многих веков черепица украшала крыши зданий и в Древнем Китае, воспроизводя своими очертаниями и цветом силуэты окрестных холмов. Применялась черепица и в Древней Руси при покрытии храмов, монастырей и других зданий. В ходу была плоская и лотковая черепица. Она давно уже не применяется ввиду малой герметичности покрытия и большой массы. Следует отметить, что в бывшем СССР (за исключением Прибалтики) черепица применялась редко из-за сложности изготовления и появления кровельных покрытий из шифера и других более доступных материалов. Вместе с тем опыт Западной Европы показывает, что черепица не только надежно защищает сооружение от атмосферных осадков и солнечной радиации, но и позволяет создавать необходимую архитектурную форму. Черепицу изготовляют из лучших сортов пластичных кирпичных глин, отощенных молотым черепичным боем или кварцевым песком. Она должна быть хорошо обожжена, иметь в изломе мелкозернистое строение, выдерживать сосредоточенную нагрузку не менее 7 МПа, издавать при у даре чистый звук, обладать морозостойкостью не менее 25 циклов. Высокие эксплуатационно-технические качества черепицы характеризуют также ее высокая огнестойкость, химическая стойкость, водонепроницаемость. Вместе с тем она придает зданиям высокую архитектурно-художественную форму, эстетична, долговечна и надежна (рисунок 21). Однако производство кровельной черепицы трудоемко, возникает необходимость большого уклона крыш (не менее 30°), кровля из нее отличается значительной массой, что требует особой прочности конструкции строения и высокой трудоемкости кровельных работ [2, 9]. 30 Рисунок 21 – Разноцветная керамическая черепица Кровельная черепица доказала свое право занимать лидирующие позиции на рынке кровельных материалов многовековой практикой. Натуральная черепица является одним из древнейших кровельных материалов, используемых строителями на протяжении многих веков. И сегодня около 87 % крыш в центральной и западной Европе покрыты натуральной черепицей. 2.6 Клинкерный кирпич Это кирпич, обожженный до полно го спекания. Его выпускают размером 220×110×65–75 мм с гладкой и офактуренной поверхностью и применяют для покрытий дорог и тротуаров, кладки цоколей, столбов и стен особо ответственных сооружений, а также для облицовки зданий и гидротехнических сооружений. К нему предъявляются особо повышенные требования по морозостойкости и истиранию. Клинкерный кирпич – экологически чистый материал, по лученный в результате высокотемпературного обжига пластичных глин отборного качества. При температуре до 1200°С процесс идет до полного спекания без остекловывания поверхности. В результате получается кирпич без включений и пустот. Такая технология гарантирует ему высокую прочность и долговечность. Еще о дно преимущество клинкерного кирпича – его высокая атмосферостойкость и устойчивость к механическим повреждениям. Таким образом, фасады из такого кирпича практически не подвергаются загрязнению даже в условиях воздействия среды с высоким содержанием вредных примесей. 31 Клинкер (англ. clinker – застывшая лава) с легкостью выдерживает даже самые неблагоприятные погодные условия, сохраняя свой цвет и не требуя дополнительных средств на его поддержание в отличном состоянии в течение десятилетий. Разнообразие цветов, фактур и размеров кирпича позволяет воплощать любые архитектурные задумки (рисунок 22). Рисунок 22 – Фасад здания (слева) и тротуарная дорожка (справа), выложенные из клинкерного кирпича Изделия из клинкера используются там, где требуется длительное сохранение высоких эксплуатационных свойств и эстетичного вида в условиях достаточно жестких внешних воздействий, преимущественно для высококачественной облицовки (отделки) различных архитектурных форм [10]. 2.7 Керамические трубы Они имеют две разновидности: канализационные и дренажные. Канализационные представляют собой плотные, спекшиеся, водонепроницаемые керамические изделия цилиндрической формы с раструбом на одном конце. Их покрывают снаружи и изнутри химически стойкой глазурью. Наличие тонкого слоя глазури на поверхности труб обеспечивает их высокую водонепроницаемость, стойкость к действию кислот и щелочей (рисунок 23). 32 Рисунок 23 – Трубы керамические Канализационные трубы предназначены для устройства производственных и хозяйственно-фекальных канализационных сетей, для транспортирования сточных вод и жидких отходов химических производств. Иногда их применяют для сооружения водосточных сетей в агрессивных грунтовых водах. Дренажные трубы – изделия, предназначенные для сбора и отвода грунтовых вод с целью понижения их уровня, осушения почвы и массива под сооружение. Их изготовляют как неглазурованными без раструбов, так и глазурованными с раструбами различных диаметров [2]. 2.8 Керамические изделия специального назначения К ним относятся теплоизоляционные, кислотоупорные и огнеупорные изделия. К теплоизоляционной керамике относятся эффективные пористые и пустотелые кирпичи и камни, керамзит и аглопорит. Об эффективности и назначении пористых и пустотелых кирпичей и камней было сказано в соответствующем разделе, поэтому здесь речь пойдет о керамзите и аглопорите. Керамзитовый гравий – искусственный пористый материал ячеистого строения с преимущественным содержанием закрытых пор, получаемый путем вспучивания легкоплавких глинистых пород при ускоренном обжиге. 33 Гранулы керамзитового гравия имеют форму, приближенную к сферической. Характерной особенностью керамзита является его относительно высокая прочность при малой плотности. Это позволяет получать на его основе легкий бетон и изделия из него с высоким коэффициентом конструктивного качества (0,25 против 0,18 для обычного бетона той же прочности). Керамзитовый гравий, в зависимости о т насыпной плотности, разделяют на 12 марок (кг/м 3 ): 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700, 800. Чем ниже насыпная плотность, тем выше марка. В зависимости от свойств керамзит применяют для изготовления керамзитобетона и конструктивного железобетона, для теплоизоляционных засыпок и других целей. Аглопорит – искусственный легкий пористый материал, получаемый из глинистого легкоплавкого сырья его термической обработкой на агломерационных машинах с последующим дроблением. В зависимости от размера зерен аглопорит (керамический щебень) подразделяют на фракции (мм): мелкий – 5–10, средний – 10–20 и крупный – 20– 40. Аглопорит используется в основном как заполнитель для легких бетонов при изготовлении из них стеновых изделий – однослойных панелей, крупных и мелких блоков, панелей перекрытий, для устройства теплоизоляционных засыпок и прочих видов строительных работ. К кислотоупорным керамическим изделиям относятся плотные спекшиеся изделия, газо- и водонепроницаемые, с высокой механической прочностью и химической стойкостью при длительном воздействии кисло т, щелочей и газов. Э ти изделия представляют собой кислотоупорные кирпичи и плитки, применяемые для футеровки реакционных аппаратов, котлов, смесителей, хранилищ, сосудов различного назначения. Для повышения коррозионной стойкости некоторые изделия покрываются кислотоупорной глазурью. Керамические кислотоупорные изделия широко используются в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, гидролизной, фармацевтической, электрохимической и других отраслях промышленности. Огнеупорами называются материалы, способные в процессе эксплуатации в промышленных тепловых установках длительно выдерживать различные механические и химические воздействия при температурах выше 1000°С. Они применяются в металлургической, керамической и цементной промышленности для кладки и футеровки обжиговых печей. Их огнеупорность должна быть о т 1580 до 1770°С. Материалы с огнеупорностью 1770 – 2000°С называются высокоогнеупорными [2]. 34 3 Сырье для производства керамических материалов Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками - отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др. Глинистое сырье (глины и каолины) – продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня. Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005 – 0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16 – 2 мм. Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формуемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка их. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, умеренно-пластичные, малопластичные и непластичные. Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80 – 90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10 – 15%. Средне-и умеренно-пластичныеглины имеют в своем составе 30 – 60% глинистых частиц, число пластичности 15 – 25, водопотребность 20 – 28% и воздушную усадку 7 – 10%. Малопластичные глины имеют в своем составе от 5% до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7 – 15 и воздушную усадку 5 – 7%. Непластичные глины не образуют пластичное удобоформуемое тесто. Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют «жирными», отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют «отощающие» добавки. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10-15% - «тощие» глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например, бентонитовую глину. Различное сочетание химического, минералогического и гра- нулометрического состава компонентов обуславливает различные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения. Гранулометрический состав глин тесно связан с минералогическим составом. Песчаные и пылевидные фракции представлены главным образом 35 в виде остатков первичных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.). Глинистые частицы в большинстве своем состоят из вторичных минералов: каолинита Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O, монтмориллонита Al 2 O 3 ·SiO 2 ·4Н 2 O, гидрослюдистых и их смесей в различных сочетаниях. Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью, малопластичны и малочувствительны к сушке. Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, при формовке склонны к свилеобразованию, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривления изделий и растрескивания. Высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. Содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90%. Образцы с преобладанием в глинистой части гидрослюдистых минералов характеризуются промежуточными показателями пластичности, усадки и чувствительности к сушке. Химический состав глин выражается содержанием и соотношением различных оксидов. В керамическом сырье содержание важнейших оксидов колеблется в широких пределах: SiO 2 – 40 – 80%; Аl 2 O 3 – 8 – 50%; Fe 2 O 3 – 0 – 5%; CaO– 0,5 – 25%; MgO – 0 – 4%; R 2 O – 0,3 – 5%. С увеличением содержания Аl 2 O 3 повышается пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания SiO 2 пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижайся прочность обоженных изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсного известняка придает светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а камневидные включения его являются причинами появления дутиков и трещин в керамических изделиях. Оксиды щелочных металлов (Na 2 O и К 2 O) являются сильными плавнями, способствуют повы- шению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности. Наличие в глинистом сырье растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности изделий. Для изготовления отдельных видов огнеупорных теплоизоляционных изделий применяют глинистое сырье из трепелов и диатомитов, состоящие в основном из аморфного кремнезема, а для производства легких заполнителей используют перлит, пемзу, вермикулит. В настоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьем для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения. Глазури и ангобы.Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом. 36 Глазурь– стекловидное покрытие толщиной 0,1 – 0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными) различного цвета. Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом. Ангобомназывается нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку. Новые виды керамического сырья.Цеолиты – это каркасные алюмосиликаты, в структуре которых имеются сообщающиеся между собой полости, занятые катионами различных элементов (чаще щелочных и щелочноземельных) и молекулами воды, способными свободно удаляться и поглощаться структурой, благодаря чему происходит ионный обмен и обратимая дегидратация без разрушения структуры. Структура цеолитов обуславливает уникальность их свойств: молекулярно-ситовой эффект, высокую ионообменную, сорбционную и каталитическую способность. Одним из первых диагностических признаков цеолитов являлось «вскипание» при их быстром нагревании до пиропластического состояния или расплавления, что нашло отражение в названии этих минералов. Термин "цеолит" в переводе с греческого означает кипящий камень («zeo» - вскипаю и «lithos» - камень). Плотность цеолитов составляет 1,9-2,3 г/см 3 . Свободный объем или открытая пористость дегидратированных цеолитов изменяется в широких пределах от 0,18 до 0,53 см 3 в 1 см 3 кристалла или 18-53 % по объему, что определяет степень эффективности применения цеолитов в процессах сорбции и ионного обмена [11, 12]. Мелкокристаллическая структура цеолитовых пород, обеспечивающая псевдопластические свойства керамическим массам на их основе, позволяют рассматривать эти породы наряду с традиционными глинами, в качестве керамического сырья. При наличии большого количества глинистых минералов в туфе они могут обладать достаточными формовочными свойствами без добавления пластифицирующих материалов. Цеолитизированные породы, спекающиеся при 1000°С, являются наиболее перспективными для изготовлении строительных керамических материалов. Диопсид- (CaO MgO 2SiO 2 ) относятся к числу важнейших породообразующих минералов, широко распространенных в природе и принадлежит к группе пироксенов, включая подгруппу пироксенов моноклинной сингонии - клинопироксенов. Они имеются в составе всех генетических групп эдогенных горных пород - магматических, метаморфических и контактово (гидротермально) - метасоматических. По преобладающему составу различаются магнезиально-железистые, кальциевые, натриево-кальциевые, натриевые и литиевые клинопероксены. Значительную часть клинопероксенов (кальциево-железомагнезиальные, 37 безнатриевые) в первом приближении можно считать членами четырехкомпонентной системы CaMgSi 2 CО 6 - CaFeSi 2 0 6 диопсид- геденбергит, MgSiО 3 -FeSiО 3 клиноэнстатит-клиноферросилит. Диопсиды железистой группы представляют собой породу зеленоватого цвета с суммарным содержанием Fe 2 CO 3 , ТiO 2 и MnO от 4 до 8 %; А1 2 O 3 - 1,5-4 %; R 2 O-0,3-0,4 %. Химический состав безжелезистых диопсидов колеблется в следующих пределах, мас. %: SiO 2 – 51 – 77; СаО – 12 – 27; MgO – 7 – 15; А1 2 O 3 – 0,2 – 0,25; R 2 O – 0,1 – 0,18; п.п.п – 1,2 – 2,1. К технологическим достоинствам диопсида относятся очень высокие диэлектрические характеристики при хороших физико-механических свойствах, сравнительно невысокая температура плавления и небольшие значения коэффициента термического расширения, отсутствие полиморфных модификаций. Расплавы и стекла на основе диопсида отличаются активной кристаллизационной способностью. Исследованиями влияния добавок диопсида на спекание и свойства плиточных масс установлено, что введение диопсидного компонента в состав майолики и фаянса существенно улучшает их свойства, при этом температура обжига снижается до температуры, близкой к 1100 °С [11, 13]. Волластонит β-Ca 3 Si 3 O 9 - имеет цепочное строение с кольцевым радикалом Si 3 O 9 , с периодом по оси равным 0,73 Нм. Теоретически в волластоните содержится СаО - 48,25 %, SiO 2 -51,75% [14]. При нагревании β-волластонит переходит в α-волластонит с изменением плотности от 2,87 до 3,09 г/см 3 . Температура плавления волластонита составляет 1540°С. Коэффициент линейного расширения β- волластонита 6,5·10 -6 и α-волластонита 11,8·10 -6 Волластонитовая порода требует обогащения, так как содержание волластонита составляет в ней часто не более 25 %. Основной объем добываемого волластонита используется в керамике. В Японии применяют также в изоляционной промышленности в виде пеноволластонита. Технологическая ценность волластонита состоит в значительном снижении влажностного расширения черепа после обжига, в массу которого был добавлен волластонит. Кроме того, наблюдается уменьшение усадки почти вдвое и увеличение прочности керамического черепка. Введение волластанита в глазури способствует хорошему их разливу, придает им блеск и прочность [11]. |