Нужна помощь в написании работы?

Классификация керамики производится по плотности, прочности  и по назначению.

По плотности изделия делят на: плотные с водопоглощением менее 5%  и пористые – более 5%. Пористые материалы – кирпич глиняный, стеновые камни, черепица, облицовочные плитки и трубы керамические. Плотными являются керамические плитки для полов и дорожный кирпич. Санитарно-технические изделия: ванны, унитазы, умывальники – бывают пористыми (фаянс) и плотными (фарфор). Высокопористые: керамзит и аглопорит.

По прочности и морозостойкости керамические изделия делят на марки.

По назначению изделия строительной керамики подразделяются на:

- стеновые: кирпич глиняный и керамические камни пустотелые;

- отделочные: плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки и фасадные облицовочные плитки, а также плитки для полов;

- санитарно-технические: ванны, умывальники, унитазы трубы канализационные и дренажные;

- кровельные: черепица ленточная, пазовая и коньковая;

Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

- теплоизоляционные: диатомитовый кирпич, керамзит, аглопорит;

- огнеупорные: шамот, динас, окисная керамика;

- кислотоупорные: плиты, резервуары и их детали, трубы.

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

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

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

Вибропрессование, 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)


Грубая керамика изготовляется чаще из одних глин или из глин с небольшим количеством добавок грубого помола. Обычно она пористая с высоким водопоглощением, за исключением плиток для полов, которые обжигают почти до полного спекания. Тонкую керамику изготовляют из глин с добавлением до 50 – 60% отощающих материалов и плавней, которые измельчают до полного прохода через сито 0,08 мм (остаток не превышает 5 – 6 %).

Свойства керамики специфичны для пластичных масс и для готовых изделий. Основные свойства изделий: прочность при изгибе и при сжатии, водопоглощение и морозостойкость, истираемость.

Предел прочности при изгибе, МПа, керамических материалов Rиз зависит прежде всего от их структуры. Например, кирпич полусухого прессования имеет меньшую величину Rиз, чем кирпич пластического формования, изготовленный из тех же глин, даже при равной прочности при сжатии. Предел прочности при изгибе регламентируется ГОСТами для кирпича, поскольку в стене он испытывает не только сжимающие, но и изгибающие нагрузки из-за деформаций поверхности. Этот показатель регламентируется и для некоторых других керамических изделий. Обычно он находится в пределах  0,7 – 5 МПа.

Прочность при сжатии, МПа, характеризует сопротивление сжимающим нагрузкам вышележащих слоев кладки. Она зависит от пористости, структуры и водопоглощения. По ее величине определяют марку стеновой керамики, по отношению прочности насыщенных и сухих образцов – коэффициент водостойкости (Кв) или размягчения. Материал считается водостойким, если Кв больше 0,7.

Морозостойкость - это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и понижения прочности. Марки по морозостойкости характеризуются количеством теплосмен от – 15…– 20°С до + 18 ± 2°С, которое выдерживает материал без признаков разрушения. Существуют марки F15, F25, F35, F50.

Исследования влияния характера пор на морозостойкость керамики выявили, что все поры делятся на три вида: опасные, безопасные и резервные.

Опасные поры заполняются холодной водой при насыщении. В них она удерживается при извлечении материала из воды и замерзает при температуре – 15…– 20°С. Диаметр этих пор от 200 до 0,1 мкм.

Безопасные поры при насыщении водой не заполняются либо заполнившая их вода не замерзает при указанных температурах, так как они очень мелкие. Заполняющая их вода становится пристеночной адсорбированной влагой с растворенными в ней солями. Она замерзает при температуре значительно ниже – 20°С.

Резервные поры при насыщении полностью заполняются холодной водой, но при извлечении образца из воды она частично вытекает, вследствие малых капиллярных сил, и поры остаются не заполненными, оставляя резерв для расширения при замораживании. Это крупные поры диаметром более 200 мкм.

Вода при замерзании расширяется всего на 9%, но давление при этом может достигать 280 МПа. Керамика будет морозостойкой, если  объем резервных пор достаточен для компенсации прироста объема замерзающей воды в опасных порах. Это условие называют структурной характеристикой С и выражают в %:

C = Vр / (Vоп – Vр)                                                                                           (1)

где Vp и Voп – объем пор соответственно резервных и опасных.

Морозостойкость определяет долговечность керамических материалов в условиях воздействия на них внешней среды. Поэтому марки по морозостойкости регламентированы ГОСТами для стеновых фасадных, кровельных изделий.

Теплопроводность керамики зависит от ее плотности, состава, вида и размера пор. Она резко возрастает с увеличением влажности.

Паропроницаемость действующими ГОСТами и ТУ не регламентирована. Однако в некоторых случаях она влияет на долговечность строительных конструкций. Низкая паропроницаемость стеновых материалов может явиться причиной потения внутренней поверхности стен, особенно в зданиях с повышенной влажностью воздуха.

Сырьевые материалы, применяемые для производства керамических изделий

Сырьевые материалы, используемые при изготовлении керамических изделий, можно разделить на две основные группы: глинистые и непластичные.

Глины

К глинистым материалам относятся глины и каолины. Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье представляет собой горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда).

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье классифицируют:

- по огнеупорности;

- по содержанию А12О3;

- по содержанию красящих оксидов (Fe2О3, ТiO2,);

- по содержанию водорастворимых солей;

- по минеральному составу;

- по содержанию тонкодисперсных фракций;

- по содержанию крупнозернистых включений;

- по пластичности;

- по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;

- по спекаемости;

- по содержанию свободного кремнезема.

Состав глин

Каолинит имеет химическую формулу Al2O3•2Si2O2•2H2O. Его кристаллическая решетка характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов и неподвижна. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно отдает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита от 1 до 3 мк.

Монтмориллонит имеет химическую формулу Al2O3•4Si2O2•H2O•nH2O. Эта формула не совсем точно отражает состав монтмориллонита, так как в состав кристаллической решетки некоторых разновидностей этой группы минералов входят также Mg, Fe, Na. Кристаллическая решетка монтмориллонита имеет слоистое строение, отдельные слои в ней могут раздвигаться под воздействием вклинивающихся молекул воды. В связи с этим монтмориллонит способен интенсивно поглощать довольно большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении — объем увеличивается в 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк.

Гидрослюда является продуктом многолетней гидратации слюд и имеет химическую формулу K2O•MgO•4Al2O3•7SiO2•2H2O. Кристаллическая решетка у этого минерала не разбухающая. По интенсивности связи с водой он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Характерной особенностью минерала является то, что в его составе принимают участие окcиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также способность отдельных катионов к изоморфным замещениям. Так, Si4+ может замещаться Аl3+, а последний — Mg2+. Размеры частиц гидрослюды около 1 мк.

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и т.п.

Примесями являются все компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов. В составе примесей различают их тонкодисперсную часть и включения. Согласно ГОСТ 9169 включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм. Для глин, используемых в технологии грубой строительной керамики, к включениям относятся зерна величиной более 2 мм.

Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и тонкодисперсной кварцевой пыли — шлюфа. Они отощают глину, ухудшая ее формовочные свойства. Кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а шлюф — ухудшает. Обжиговые свойства глин кварцевые примеси ухудшают, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении. Кроме того, они понижают прочность, а иногда и морозостойкость обожженных изделий. Особенно вредны кварцевые примеси для производства керамзита.

Карбонатные примеси встречаются в глинах в трех структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, составляющих с остальной частью породы однородную массу, в виде рыхлых примазок и мучнистых стяжаний и в виде плотных каменистых конкреций, которые являются включениями.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по схеме СаСО3→СаО + СО2, обусловливают повышенную пористость керамического черепка и некоторое понижение его прочности. При производстве стеновых материалов они не являются вредными, однако ухудшают свойства глин, используемых для производства изделий со спекшимся черепком, и керамзита.

Рыхлые примазки и скопления при механической обработке глины легко разрушаются и превращаются в равномерно распределенную безвредную тонкодисперсную примесь, количество которой обычно невелико, и потому они существенно не влияют на свойства глины.

Каменистые карбонатные включения являются вредными, вызывая в изделиях характерные пороки, получившие название «дутика».

Железистые примеси встречаются в виде тонкодисперсных равномерно распределенных минералов лимонита, гидроокида железа и включений пирита. Тонкодисперсные железистые примеси придают глине окраску от светло-коричневого до темно-красного тона, а обожженному керамическому черепку — от кремового и бледно-розового до красного.

При обжиге изделий в восстановительной среде железистые оксиды переходят из окисных соединений в закисные (восстанавливаются), окрашивающие изделие в сине-зеленоватый цвет. При увеличении содержания железа цвет глины после обжига делается все более темным и может стать черным. Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей.

Закисные соединения железа, обладая большой реакционной способностью, интенсивно образуют железистые силикатные расплавы (стекла), способствуя сильному уплотнению керамического черепка. Наличие тонкодисперсных железистых примесей вредно для глин, используемых для производства беложгущихся керамических изделий (фарфор, фаянс), и, наоборот, благоприятно для красножгущихся изделий с плотным черепком (канализационные трубы, плитки для полов), а также для керамзита и аглопорита.

Включения пирита FeS2 вызывают на обожженных изделиях появление железистых выплавок, а мелкодисперсных железистых включений — точечных черных пятен («мушки»). Аналогичные последствия, но с меньшей интенсивностью вызывают и примеси сидерита FeCО3.

Щелочные оксиды в примесях глин присутствуют обычно в виде полевошпатового песка и растворимых солей. Последние при сушке изделия мигрируют по капиллярам на его поверхность, а после обжига спекаются с черепком, образуя на внешней поверхности изделия белые налеты, портящие цвет черепка (в особенности красный).

Органические примеси окрашивают глину в черный цвет. В обжиге они выгорают, выделяя газы и обусловливая восстановительную среду внутри черепка. Эти явления полезны в производстве керамзита и, наоборот, могут являться источником определенных пороков («пузыря») при обжиге изделий с плотным черепком.

Гранулометрическим (зерновым) составом глин называется процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе.

В производстве стеновых и других изделий грубой керамики чаще всего пользуются трехчленной классификацией глин (по Рутковскому), относя к глинистой части фракцию менее 5 мк, к пылевидной — от 5 до 50 мк и к песчаной — от 50 мк до 2 мм. Включениями считаются зерна величиной более 2 мм.

Трехчленная классификация дает возможность графически изображать гранулометрический состав глинистой породы при помощи треугольной диаграммы (рис. 1).

Рис. 1. Треугольная диаграмма гранулометрического состава глин

Она представляет собой равносторонний треугольник, каждая из вершин которого соответствует 100%-ному содержанию какой-либо одной фракции (глинистой, пылевидной, песчаной), а каждая сторона является геометрическим местом точек соответствующих бинарных составов (глинистое вещество — песок, глинистое вещество— пыль, пыль — песок). Внутри треугольника располагаются все трехчленные составы глинистой породы. Против вершин располагаются параллельные эквидистантные линии с убывающим содержанием фракции, соответствующей рассматриваемой вершине. Так, например, состав, содержащий глинистой фракции 40%, пылевидной—50% и песчаной—10%, изобразится точкой А.

Пользование треугольной диаграммой весьма удобно для наглядного изображения результатов систематического контроля гранулометрического состава глины, поступающей в производство. Если точки, изображающие гранулометрический состав, располагаются на диаграмме «кучно», то это свидетельствует о сравнительном постоянстве состава глины; если же они  сильно разбросаны, то это указывает на нестабильность состава глины и на возможное появление брака готовой продукции.

Пользование треугольной диаграммой открывает и некоторые расчетные возможности. Так, например, можно решать задачи по определению состава смеси различных глин, их отощению и обогащению.

Исследуя гранулометрические составы многочисленных глин и сопоставляя их с результатами использования этих глин для изготовления отдельных видов керамических изделий, некоторые авторы определили на треугольной диаграмме области составов, пригодных для изготовления определенных видов изделий грубой керамики. Это сделано, например, на диаграмме А. С. Беркмана и И. Г. Мельниковой (рис. 2). Зная гранулометрический состав глины и пользуясь этой диаграммой, можно составить первое представление о пригодности глин для изготовления определенных видов изделий грубой строительной керамики.

 

Рис. 2. Диаграмма гранулометрического состава глин. Глины пригодны для изготовления: 1 – полнотелого кирпича; 2 – кирпича с пустотами; 3 – черепицы; 4 – дренажных труб и других тонкостенных изделий; 5 – гончарных и других изделий, для которых необязательна морозостойкость

В химическом составе глин принимают участие следующие основные оксиды: SiО2, А12О3, СаО, MgO, Fe2О3, ТiO2, К2O, Na2O.

Кремнезем Si02 находится в глинах в связанном и свободном состояниях: связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка и шлюфа. Определение химическим анализом содержания свободного кремнезема является особо важным при оценке пригодности глин для производства керамзита. Общее содержание кремнезема в глинах составляет 60—65°/0 и в запесоченных глинах достигает 80—85%.

Глинозем А12О3 находится в глинах в связанном состоянии, участвуя в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом: с повышением его содержания огнеупорность глин возрастает. Так как содержание слюдистых примесей в глинах обычно невелико, то содержание в них глинозема косвенно отражает относительную величину глинистой фракции, содержащейся в глинистой породе. Содержание глинозема колеблется от 10—15% в кирпичных и до 32—35% в наиболее ценных сортах огнеупорных глин.

Известь СаО и магнезия MgO в небольших количествах участвуют в составе глинистых минералов. При относительно высоких температурах обжига известь вступает в реакцию с глиноземом и кремнеземом и, образуя эквтектические расплавы в виде алюмлкальциевых силикатных стекол, резко понижает температуру плавления глины.

Оксид железа Fe2О3 содержится в глинах в виде примесей и оказывает на них и на обожженный черепок прежде всего красящее действие. Температуру плавления глины оксиды железа заметно понижают лишь при обжиге в восстановительной среде. Содержание оксидов  железа (в пересчете на Fe2О3) находится в пределах от долей процента в наиболее чистых беложгущихся глинах до 8-10% в кирпичных.

Диоксид титана ТiO2 участвует в примесях и его содержание не превышает 1,5%. Диоксид титана придает обожженному черепку окраску зеленоватых тонов.

Щелочные оксиды К2O, Na2O входят в состав некоторых глинообразующих минералов, но в большинстве случаев присутствуют в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание составляет до 5-6%. Они ослабляют красящее действие Fe2О3 и ТiO2 и понижают температуру плавления глин.

Химический состав глин является их важнейшей характеристикой и в значительной мере определяет промышленное их назначение. Пригодность глин для производства тех или иных изделий можно оценивать диаграммой А.И. Августинника


Рис. 3. Промышленное назначение глин в зависимости от их химического состава. Глины пригодны для производства 1 - огнеупорных шамотных изделий; 2 - плиток для полов, канализационных труб, кислотоупорных изделий и каменного товара; 3 - гончарных и терракотовых изделий; 4 - черепицы; 5 - мостового клинкера;  6 - кирпича

Свойства глин

Свойства глин, используемые в технологии керамики, могут быть объединены в четыре основные группы: водные, механические, сушильные и обжиговые (термические).

Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой. Для их понимания необходимо рассмотреть систему «глина – вода».

Вода является однородной средой, а молекулы воды – электрически нейтральны. Но вода, окружающая зерно глинистой частицы, имеет иные свойства, так как ее молекулы приобретают дипольное строение, а концы ее – заряд.

Рис. 4. Схема строения обводненной глинистой частицы: 1- зерно глинистого минерала; 2 - мономолекулярный адсорбированный слой; 3 - полимолекулярный адсорбированный слой; 4 - диффузный слой

Так как зерна глинистых минералов заряжены всегда отрицательно из-за замещения катионов в кристаллической решетке либо наличия оборванных некомпенсированных связей на ее концах, вода ориентируется к глинистым частицам положительно заряженными диполями. Мономолекулярный слой воды 2  образует прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами: меньше разжижаемость и температура замерзания, выше плотность. Эта вода образует с глиной единое целое – мицеллу. По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля и интенсивность притяжения молекул воды убывает. Молекулы воды, находящиеся под воздействием более слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой 4, в котором вода является рыхлосвязанной. Зерно глинистого минерала окружено несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Эта схема справедлива для чистой воды без примесей. В реальных условиях вода в глине всегда имеет соли, молекулы которых диссоциируют на ионы. Катионы этих солей, являясь носителями положительных зарядов, окружены «собственной» водной оболочкой и вместе с ней находятся в диффузном слое либо адсорбируются на поверхности зерна глинообразующего минерала, создавая так называемый сорбированный комплекс. Таким строением водной оболочки объясняются многие свойства глин, включая водные: влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропия.

Влагоемкость – это способность глины поглощать и удерживать воду силами молекулярного притяжения, осмотическим всасыванием и капиллярными силами. Последние невелики по сравнению с молекулярными силами, поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группы свободной воды. Влагоемкость глины зависит от ее дисперсности и минералогического состава: с повышением дисперсности и удельной поверхности она возрастает. Глины монтмориллонитовые имеют большую влагоемкость, чем каолинитовые.

Набухание – это способность глины увеличивать объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее контакте с водой. Количественно степень набухания по ГОСТ 3594.12-92 измеряется приростом объема поглощенной влаги по отношению к массе глины. Частица глинистого вещества представляет собой агрегат из слипшихся первичных зерен глинистых минералов, часто сцементированных природными цементами катионного типа. Набухание глин происходит вследствие того, что поляризованные молекулы воды вклиниваются между отдельными агрегатами глины и, адсорбируясь на их поверхности, раздвигают их, создавая вокруг водную оболочку, проникают в пространство между отдельными слоями решетки, образуя межслоевую воду. Степень набухания зависит от дисперсности и минералогического состава глин. Наибольшую набухаемость дают дисперсные монтмориллонитовые глины, наименьшую – каолинитовые. Структура пакета кристаллической решетки каолинита такова, что один его конец представлен ионом Н+, а второй – ОН-. Поэтому концы двух пакетов прочно связаны между собой противоположно заряженными ионами, и раздвинуть такую решетку молекулы воды не могут, они лишь адсорбируются на ее поверхности. У монтмориллонита строение кристаллической решетки симметричное: заряды кислорода на концах пакетов смыкаются, создавая непрочную связь. Поэтому молекулы воды легко вклиниваются в межпакетное пространство решетки, раздвигая ее. Запесоченность глин понижает набухание. При этом происходит контракция: объем набухшей глины меньше суммы объемов глины и воды, за счет сжатия глины и повышения плотности. Процесс во времени затухает. Рыхлые глины набухают быстрее, чем плотные.

Размокание – это распад в воде агрегированных глинистых частиц на более мелкие частицы или элементарные зерна с образованием полидисперсной системы. Природа прочности глин объясняется несколькими факторами. Одним из них являются силы вторичных валентностей (ван-дер-ваальсовы силы), т. е. силы межмолекулярного притяжения. Они возникают вследствие поляризации молекул и дисперсионного взаимодействия, при котором движение электронов в молекулах приводит к появлению мгновенных диполей и взаимному притяжению. Первой стадией диспергирования глин является набухание, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами агрегата, расклинивают их. По мере возрастания толщины водной оболочки она все больше экранирует действие сил сцепления, ослабляя связь между отдельными зернами. При достаточно толстых водных оболочках внешние их слои связаны не силами межмолекулярного притяжения, а капиллярным давлением внутри относительно крупных пор, если они не целиком заполнены водой. В этом случае силы капиллярного давления стягивают отдельные зерна частицы, мешая им окончательно разъединиться. Когда же поры заполняются водой, мениски исчезают, и  прекращается действие сил капиллярного давления. После этого зерна легко перемещаются в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии, что и означает полное размокание глины. Процесс размокания начинается с поверхности глиняного куска. Набухшие его наружные слои, испытывая напряжения скалывания, постепенно отделяются, обнажая новые поверхности для взаимодействия с водой. Однако в плотных глинах отделения таких слоев почти не происходит, а гидратация их затрудняет доступ воды во внутренние слои куска. Поэтому плотные глины размокают трудно. Перемешивание глины ускоряет процесс за счет механического разрушения частиц и обнажения новых поверхностей для размокания. Подогрев воды также ускоряет размокание, из-за уменьшения ее вязкости при нагреве. Она легче впитывается. Интенсивность размокания имеет значение для однородности пластичного теста и шликеров.

Тиксотропное упрочнение – это способность влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться при неизменной влажности (рис. 5).

Рис. 5. Схема тиксотропного упрочнения глины

В начальный момент времени t0 глиняная масса имеет прочность R0 сд. С течением времени ее прочность возрастает, достигая ко времени t1 величины R'сд. В этот момент структуру принудительно разрушают (например, разбалтывают шликер), и ее прочность падает до начальной. После этого она вновь к моменту t2 восстанавливается до Rсд'. После вторичного разрушения при отстаивании она вновь восстанавливает прочность и т. д. Самоупрочнение глины происходит из-за ориентации частиц глины и воды разноименными зарядами, что увеличивает силу их сцепления. При этом происходит процесс перехода части воды из свободных форм в связанные за счет более глубокой гидратации глинистых зерен. Интенсивность и величина тиксотропного упрочнения зависит от времени выдержки. Сопротивление сдвигу глиняного теста возрастает через 1 сутки после переработки в 2,4 раза, через 3,5 – в 2,6, через 22 -– в 3,1, через 120 – в 5,4, через 240 суток – в 7,9 раза. Тиксотропия снижает литейные свойства шликеров.

Механические свойства глин проявляются при воздействии на них внешних усилий. Главнейшим из них является пластичность. Пластичность – это способность глины под действием внешних сил принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять ее после прекращения действия усилий. Пластичность является одним из состояний глин, которое отлично от хрупкого и вязко-текучего. Хрупкое состояние характеризуется тем, что образец при разрыве разрушается без изменения поперечного сечения и после этого система не восстанавливается. При вязко-текучем состоянии смесь растекается под действием собственной массы. Пластичное состояние является промежуточным между хрупким и вязко-текучим. В абсолютно сухом состоянии образец из глины имеет довольно высокую прочность и разрушается хрупко. При небольшом увеличении влажности прочность образца сначала резко падает, вследствие адсорбционного расклинивания поглощенной влагой, но хрупкое состояние сохраняется. По данным П.А. Ребиндера, один мономолекулярный слой адсорбированной воды понижает прочность глины в 1000 раз. Дальнейшее увеличение влажности приводит к замедленному падению прочности. Если водные оболочки достаточно велики, чтобы обеспечить скольжение частиц в отношении друг друга при воздействии на них внешних усилий, достигается пластическое состояние. При этом вода силами поверхностного натяжения стягивает глинистые частицы, не давая им возможности расползаться, и  обеспечивает значительную сдвиговую подвижность глиняных частиц, давая им возможность скольжения. Дальнейшее увеличение влажности глины приводит к такому возрастанию толщины водных оболочек, что они полностью экранируют действие сил межмолекулярного притяжения и исключают действие капиллярного давления. В связи с этим прочность системы падает настолько, что она не может выдерживать действие собственной массы и приобретает вязко-текучее состояние. По ГОСТ 21216.1-93 мерой пластичности является число пластичности П, % , вычисляемое по формуле:

П = wт – wр ,%                                                          (2.8)

где wт и wр – влажность при пределе текучести и при пределе раскатывания.

Влажность предела раскатывания (wр) является границей между хрупким и пластическим состоянием системы, а влажность предела текучести (wт) отсекает область пластического состояния от вязко-текучего. Физический смысл показателя пластичности увязывается с механизмом сущности пластического состояния: он определяет интервал влажностей, в котором глина сохраняет пластическое состояние. По числу пластичности ГОСТ делит глины на пять групп: высокопластичные (П > 25), среднепластичные (П = 15…25), умереннопластичные (П = 7…15), малопластичные- (П < 7) и непластичные, не дающие пластичного теста. Пластичность глин зависит от их гранулометрического и минералогического состава: с повышением дисперсности пластичность возрастает. Наиболее пластичны монтмориллонитовые глины, наименее пластичны каолинитовые. Запесоченность глин понижает их пластичность. Формовочная влажность, или водопотребность, – также важный показатель водных свойств глин. Она достигается, когда глина формуется воздействием руки человека и не прилипает к рукам и к металлу. Среднее усилие нажатия человеческой руки соответствует примерно 0,2 МПа, а предельное напряжение сдвига составляет при формовочной влажности, около 0,06 МПа. Формовочная влажность зависит от состава глины: с повышением запесоченности она снижается, а с повышением дисперсности – возрастает, у монтмориллонитовых глин она выше, чем у каолинитовых.

Связь между формовочной влажностью wф и содержанием глинистого вещества Агл, мас. % выражается зависимостью:

w ф = К Агл,                                                               (2)

где К — опытный коэффициент, имеющий следующие значения:

Aгл ,%  6-7    8-10      10-12   20-30   30-40   40-50   50-60

К            3,2       2,2    1,5            1,0        0,8        0,6       0,5

Глину надо формовать при влажности, обеспечивающей наибольшую пластичность. Растяжимость глин представляет собой предельное относительное удлинение, при котором наступает разрыв образца. Величина растяжимости определяет трещиностойкость керамических изделий при сушке. Сушильные свойства глин отражают изменения, которые происходят в глиняной массе при ее сушке. К ним относятся: воздушная усадка, чувствительность к сушке и влагопроводность. Воздушная усадка представляет собой уменьшение размеров глиняного образца при сушке и является одним из важных сушильных свойств глины. Усадочные деформации в глине при сушке обусловлены силами капиллярного давления, и усадка происходит вследствие нарушения силового равновесия в капилляре.  

Мерой усадочных явлений в сушке является величина относительной усадки:

Lот = (l0 – l1)/ l0,                                                         (3)

где Lот – относительная усадка, %, l0 и l1 – начальная и конечная длина образца. Относительная воздушная усадка в зависимости от пластичности глины находится в пределах 2…8%. Запесоченность глин понижает воздушную усадку. Монтмориллонитовые глины дают наибольшую усадку, каолинитовые – минимальную. Кроме состава и свойств глин на величину усадки влияет и режим сушки: при медленной сушке (например, естественной) усадка больше, чем при жестком режиме искусственной сушки. Для одной и той же глины величина воздушной усадки зависит от начальной влажности образца. При одной и той же величине l1 образец может иметь различную длину lк.у. в зависимости от его начальной влажности w0 (рис. 6), а это, как видно из (3), будет менять и величину усадки. Поэтому величина воздушной усадки в отрыве от влажности образца не является физической константой, характеризующей усадочные явления данной глины. Зависимость длины образца от его влажности в интервале усадки, как видно из рис. 6 описывается прямой линией. Ее наклон зависит не от начальной влажности, а только от зернового состава данной глины. Поэтому его можно использовать как показатель, характеризующий усадочные свойства.

Рис. 6. Схема к определению коэффициента усадки

Угловой коэффициент этой прямой назван коэффициентом усадки Kус, который может рассматриваться как физическая константа, характеризует усадочные свойства данной глины. Kус вычисляют по формуле:

Кус = tg α = (l0–lк.у.) / (w0–wк.у.)                                            (4)

где lк.у. и wк.у. – соответственно длина и влажность образца в конце усадки.

Влагопроводность глин отражает интенсивность перемещения влаги внутри глиняной массы. Количественным показателем, характеризующим это свойство, является коэффициент потенциала переноса влаги а', называемый в теории сушки коэффициентом потенциалопроводности. Для разных глин он колеблется  в пределах (0,66…2,14)х·10 м2/ч.

Существует тесная связь между влагопроводностью глины и ее составом. Она возрастает с уменьшением содержания глинистой фракции, так как только они связывают своим силовым полем воду, ограничивая свободу ее перемещения. У монтмориллонитовых глин влагопроводность в 10…15 раз меньше, чем у каолинитовых, так как монтмориллонит наиболее прочно связывает воду в силу особенностей его строения. Влагопроводность зависит от температуры глиняной массы, увеличиваясь пропорционально четырнадцатой степени абсолютной температуры, и от начальной влажности глины, возрастая с ее увеличением. Это объясняется уменьшением интенсивности связи влаги с материалом по мере возрастания толщины гидратных оболочек.

Чувствительность глин к сушке характеризует их трещиностойкость в этом процессе. Причиной возникновения трещин является неодинаковая величина усадки по сечению изделия, поэтому в нем возникают напряжения. Когда их величина превысит предел прочности сырца, образуются трещины. Показателем трещиностойкости в сушке глин принят коэффициент чувствительности глин к сушке Кч

                                                      (5)

где V0 и G0 – соответственно объем и масса влажного образца после формования; V, G – то же для образца, высушенного до постоянной массы.

По физическому смыслу этот показатель выражает отношение между объемом усадки и объемом пор в образце. По величине Кч глины бывают трех классов: малочувствительные (Кч < 1), cреднечувствительные (Кч = 1…1,5) и высокочувствительные (Кч > 1,5).

Увеличение прочности глин способствует повышению трещиностойкости. Прочность глины возрастает с увеличением содержания в ней глинистой фракции. Поэтому добавка высокопластичной глины к тощей часто способствует снижению брака изделий в сушке. Монтмориллонитовые глины дают прочность сырца выше, чем каолинитовые. Однако тесной связи между прочностью глин и их трещиностойкостью в сушке не отмечается, а между растяжимостью и трещиностойкостью такая связь существует. С повышением коэффициента усадки трещиностойкость глин понижается, а с повышением влагопроводности – возрастает. Этим объясняется меньшая чувствительность запесоченных глин по сравнению с «жирными» с высоким содержанием глинистой фракции. Но наличие в глине тонкодисперсного песка (шлюфа), который сильно отощает глину, уменьшая усадку, снижает прочность и растяжимость, не повышая влагопроводность глины, так как поры в керамике мелкие с большими гидродинамическими сопротивлениями. Поэтому такие глины, имея низкий Кч, являются нетрещиностойкими, высокочувствительными к сушке. Таким образом, на трещиностойкость керамики в сушке оказывают совместное влияние прочность, растяжимость, усадка и влагопроводность глины.

Термические (обжиговые) свойства глин проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.         

Огнеупорность – это свойство керамики материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Показателем огнеупорности является температура, при которой образец из материала, имеющий форму трехгранной усеченной пирамиды (условно именуемый «конусом»), деформируется от собственной тяжести и касается вершиной керамической подставки. Под огнеупорностью глины понимают условную температуру ее плавления. Условной эта температура является потому, что глинистая порода полидисперсна и не имеет строго определенной температуры плавления, а плавится в некотором интервале температур. Поэтому за температуру плавления глины принимают ее огнеупорность. По ГОСТ 9169  глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные – огнеупорность выше 1580°С, тугоплавкие  1350…1580°С и легкоплавкие – ниже 1350°С. Огнеупорность глины зависит от ее химического состава: глинозем (Al2O3) повышает огнеупорность глины, кремнезем (SiO2) тонкодисперсный понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность. Примеси щелочных металлов (R2O) являются наиболее сильными плавнями (флюсами) — веществами, понижающими температуру плавления глины. Оксиды щелочноземельных металлов (RO) также являются плавнями, но при более высокой температуре, чем щелочные. Огнеупорность керамики, содержащей оксиды железа, зависит от вида газовой среды в обжиге: восстановительная среда понижает огнеупорность, так как Fe2O3 восстанавливается в FeO, с большой реакционной способностью. Он образует с SiO2 фаялит (2FеО SiО2), имеющий температуру плавления 1205°С и играющий роль плавня.

Спекаемость является вторым важным термическим свойством глин. Под спекаемостью понимают способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камневидного тела. Спекание глин происходит за счет стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой – силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины (жидкостное спекание) вследствие рекристаллизации минералов, входящих в состав керамики, и за счет реакций в твердой фазе между компонентами глины и продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом спекания является уплотнение обжигаемого материала и уменьшение открытой пористости. Поэтому степень спекания контролируется по водопоглощению керамики. Спекшейся считается керамика, имеющая водопоглощение не более 5%. Поэтому спекаемость глин определяют как способность давать камень без признаков пережога с водопоглощением менее 5%. Признаки пережога: деформации и вспучивание с повышением пористости. По ГОСТ 9169 глины по степени спекания классифицируются на три группы:

Группа глинистого сырья                 Водопоглощение керамики в %

Сильноспекающиеся                              Не более 2

Среднеспекающиеся                              Не более 5

Неспекающиеся                                      Более 5

Указанные значения водопоглощения должны быть не менее чем в двух температурных точках с интервалом 50°С. Смысл этого условия иллюстрируется рис. 7, где представлены  зависимости водопоглощения керамики от температуры обжига для трех видов глин. Эти глины имеют одинаковую предельную температуру обжига tобпр , превышение которой дает признаки пережога. При температуре t1, которая на 50° ниже tобпр, глина 1 дает керамику с водопоглощением 2%. В интервале tобпр – t1 = 50°С керамика из нее имеет водопоглощение ниже 2% и не обнаруживает признаков пережога. Она является сильноспекающейся. Глина 2 в этом же интервале температур имеет водопоглощение более 2%, но меньше 5%, что определяет ее как среднеспекающуюся. А глина 3 в том же интервале имеет водопоглощение более 5% и является неспекающейся.


Спекаемость является важнейшим признаком, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий: канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий. Она характеризуется температурным интервалом, под которым понимают для легкоплавких глин:

а для огнеупорных глин:

где  – температуры, при которых керамика приобретает водопоглощение соответственно 5, 2 и 1%.

Al2O3 увеличивает интервал спекания глин, СаО резко понижает, а щелочные К2О и Na2O расширяют его. У каолинитовых глин интервал спекания обычно больше, чем у монтмориллонитовых. Запесоченность глин резко снижает интервал спекания. Наименьший интервал спекания (50…100°С) у легкоплавких глин, лёссовые глины почти  его не имеют, наибольшее его значение (до 400°С) у огнеупорных глин. Интервал спекания определяет возможность обжига изделий в печах c перепадом температур между верхом и низом печи.

Если печь имеет температурный перепад между верхом и низом 80°С, а интервал спекания глины 30°С, то нижние ряды садки будут иметь недожог, а верхние ряды – пережог, качество обжига будет низким. Поэтому надо либо увеличить интервал спекания керамической массы введением плавней, расширяющих интервал, либо повысить равномерность обжига  конструктивными приемами, в крайнем случае, снижением высоты печи. Для некоторых видов керамики низкое водопоглощение  не  обязательно или даже недопустимо. В этих случаях температурные границы, в пределах которых можно вести обжиг, определяет не интервал спекания, а интервал обжига. Под интервалом обжига понимают температурные границы, в которых изделие при обжиге приобретает свойства, регламентированные действующими ГОСТами и ТУ. Например, для строительного кирпича минимальная температура обжига будет ограничена достижением прочности, соответствующей марке 75 (минимальная по ГОСТ 530-95), а максимальная – водопоглощением керамики, равным 8%. Интервал температур, в пределах которого соблюдаются эти величины, и будет интервалом обжига. По величине он намного больше интервала спекания. Этим объясняется то, что глины с малым интервалом спекания оказываются пригодными для обжига кирпича в печах со значительными перепадами температур.

Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под действием сил поверхностного натяжения силикатного расплава. Механизм стягивающего действия этих сил схематически изображен на рис. 8. Как только между двумя твердыми частицами 1 окажется капля жидкого расплава 2 с вогнутыми менисками, она под влиянием сил поверхностного натяжения будет растекаться по поверхности твердых частиц. Равнодействующая этих сил образует силу капиллярного давления Рк, которая будет растягивать каплю жидкости, сближая твердые частицы.


Усадку при обжиге характеризуют величиной огневой усадки У%:

где l1 и l2 – линейные размеры, см сухого и обожженного образцов.

Огневая усадка глин колеблется в пределах от 2 до 8% и достигает в отдельных случаях 14%. С увеличением содержания глинистой фракции усадка возрастает. Сильно запесоченные глины могут совсем не давать усадки и даже обнаруживать в обжиге «рост» за счет вспучивания (усадка в этом случае получает отрицательный знак). Монтмориллонитовые глины имеют большую огневую усадку, чем каолинитовые. Щелочные оксиды всегда повышают огневую усадку, а железистые – лишь при обжиге в восстановительной среде. С повышением температуры обжига усадка обычно возрастает. Поэтому неравномерно обожженные изделия могут иметь заметный разброс в размерах.

Каолины

Каолинами называют мономинеральные горные породы, глинистая фракция которых представлена только каолинитом. Каолины менее пластичны, чем глины, и дают повышенную белизну обожженной керамики. Каолин содержит примеси не  выветрившихся обломков горной породы, из которой он образовался. Значительную часть этих примесей можно удалить отмучиванием. По характеру примесей имеются следующие виды каолинов:

- чистый, содержащий не более 6% кварца и не более 2% щелочей;

- щелочной, содержащий до 5…7% примесей К2О и Na2O;

- кремнеземистый, включающий до 2% тонкого кварцевого песка;

- щелочно-кремнеземистый, со значительным количеством SiO2, RO2+RO;

- железистый, включающий более 2% Fe2O3, окрашивающего каолин в желтый цвет, что недопустимо в производстве фарфора и фаянса. Поэтому такой каолин, как правило, обогащают на месте  добычи мокрым способом.

Действующими ГОСТами на каолины для производства тонкой керамики нормируется предельное содержание химических и механических примесей и влажность. Кроме того, для каолинов определяют еще два показателя, характеризующие их рабочие свойства, – «упругость» и «порог коагуляции». Под упругостью каолиновой суспензии понимают разницу между ее плотностью по ареометру и плотностью той же суспензии в пределах 1,35…1,37 г/см3, определяемой пикнометром (взвешиванием).

По показателю упругости различают три группы каолинов:

Группа каолина

Показатель упругости

I

II

III

0,1…0,05

0,05…0,4

0,4 и более

Порогом коагуляции считают такое состояние суспензии каолина, при котором исчезают структурообразования, препятствующие погружению ареометра до метки, отвечающей пикнометрической плотности, из-за чего показатель упругости падает до нуля. Каолин из-за дороговизны, меньшей пластичности и дефицитности в производстве строительной керамики применяется в меньших объемах, чем глины.

Непластичные материалы и добавки

Добавки к глинам вводятся для регулирования свойств керамики и снижения расхода дефицитных глин. По влиянию на свойства они делятся на: отощающие, выгорающие, флюсующие, химические и специального назначения.

Отощающие добавки

Отощающие добавки – это материалы, снижающие пластичность и усадку глин в сушке и обжиге. К ним относятся: кварц, шамот, золы, шлаки и др.

1. Кварцевые материалы – наиболее распространенные природные отощающие добавки. К ним относятся жильный кварц, кварцевые пески и кремень. Они состоят из кремнезема и являются отощителями из-за способности не давать усадку при сушке и обжиге. Кварц и его кристаллические разновидности устойчивы к действию кислот (за исключением плавиковой) и менее стойки к щелочам. Степень воздействия щелочей на кварц тем выше, чем мельче его зерна. При нагревании кварц претерпевает модификационные превращения в твердой фазе: при 575°С он перекристаллизуется из β-кварца в α-кварц с увеличением объема, что может привести к растрескиванию изделий. При 870°С он превращается в тридимит, а при 1410°С – в кристобалит. При 1710°С кварц плавится и при резком охлаждении дает кварцевое стекло. Эти особенности кварца в технологии керамики известны и учитываются при разработке режимов обжига: при температурах указанных превращений скорость подъема и охлаждения замедляют. Заменителями жильного кварца могут быть чистые кварцевые пески, а также пески, получаемые при отмучивании каолинов.

2. Пылевидный кварц (маршаллит) – это природное вещество от серовато-белого до чисто белого цвета, с высокой дисперсностью. Он не является чистым кремнеземом, так как содержит значительное количество щелочных оксидов. Маршаллит применяется в производстве изделий тонкой керамики.

3. Кремень представляет собой кристаллическую разновидность кремнезема и встречается в природе в виде кусков различной формы. После предварительного обжига лучшие сорта кремня без примесей железа используют в производстве тонкой керамики. Кремневую гальку применяют в качестве мелющих тел в шаровых мельницах для измельчения керамических масс и глазурей.

При оценке кварцевого сырья существенное значение имеет его чистота. Вредны примеси, снижающие качество кварцевых материалов, а в случае высокого их содержания исключающие возможность его применения. Сюда относятся окрашивающие примеси: Fe2O3, TiO2, слюда и железистые силикаты.

4. Шамот изготовляют обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000…1400°С. Его применяют как отощитель керамических масс, при производстве облицовочных плиток, фарфора и фаянса, шамотных огнеупоров. Шамот в отличие от других отощителей не понижает огнеупорности масс. Зерновой состав и количество шамота определяются рецептурой массы для разных видов изделий. Лучше применять его тонкозернистым и при совместном помоле с глинистыми минералами для равномерного распределения в массе.

На многих керамических заводах вместо шамота  применяют измельченный бой готовых изделий или утильного обжига, а также бой огнеупоров, который предварительно сортируют и очищают от загрязнений. На кирпичных заводах вместо шамота используют молотый обожженный кирпич. Но количество этих отходов невелико, поэтому они не оказывают заметного влияния на свойства масс. Применение боя и отходов кирпича важнее с точки зрения их утилизации, создания безотходных технологий и охраны окружающей среды.

5. Дегидратированная глина применяется при недостатке отощителей. Она получается нагреванием обычной глины до 600…700°С, когда та теряет  пластичность при удалении химически связанной воды. Ее применяют чаще в  производстве грубой строительной керамики. Это позволяет снизить сроки сушки без появления трещин на изделиях, расширить базу отощителей.

6. Известняк является отощающей и разрыхляющей добавкой. При нагревании до 910°С карбонаты разлагаются на СО2 и СаО, поэтому нельзя применять известняк размером более 0,63 мм, чтобы исключить растрескивание керамики. Его надо применять тонкозернистым и в небольших количествах. При 1000°С СаО вступает в реакцию с другими оксидами массы, особенно с щелочными. С кварцем он образует волластонит (Са3), упрочняющий керамику. Скорость реакции возрастает с повышением температуры обжига и ростом количества легкоплавких соединений, содержащих СаО. Присутствие извести в глинистых массах понижает температуру спекания, но уменьшает интервал спекания, затрудняя обжиг и создавая опасность деформации изделий. Из карбонатов кальция в состав керамических масс обычно вводят мел, так как он состоит из более тонких частиц, легче размалывается и дешевле мрамора. Однако после обжига мел дает более темную, чем мрамор, окраску керамики. Добавка мела в массы, обжигаемые не до спекания и покрываемые глухими свинцово-оловянными глазурями, полезна, так как при этом повышается пористость изделий, в результате чего лучше закрепляется глазурь на керамике.

Флюсующиеся добавки (плавни)

Флюсующие материалы (плавни)  – это материалы, взаимодействующие в обжиге с глинистыми минералами с образованием более легкоплавких соединений. Поэтому введение в состав массы плавней улучшает степень спекания и снижает температуру обжига. Плавни делят на две группы: флюсующие, имеющие низкую температуру плавления, – полевые шпаты, пегматиты, сиениты – и материалы с высокой температурой плавления, но дающие при обжиге легкоплавкие соединения с компонентами массы –  мел, доломит, тальк.

1. Полевые шпаты представляют собой плавни, широко применяемые в производстве тонкой керамики. Различают следующие виды полевых шпатов.

Калиевый полевой шпат (ортоклаз) – K2O·Al2O3·6SiO2.  Цвет его от белого, серого, желтоватого до коричнево- и темно-красного в зависимости от  примесей. Плотность  – 2,55 г/см3. Температура начала плавления – 1200°С.

Натриевый полевой шпат (альбит) – Na2O·Al2O3·6SiO2 .  Цвет белый, чаще светлых оттенков, но встречается также красного, желтого, серого и других тонов. Плотность – 2,6 г/см3 , температура плавления – 1160…1190°С.

Известковый полевой шпат (анортит) – СаО·Al2O3·2SiO2. Обычно желтоватого цвета. Температура плавления около 1550°С.

Плагиоклазы – это полевые шпаты, содержащие смесь альбита и анортита в разных соотношениях. Обычно белого цвета. Плотность 2,62…2,76 г/см3.

Полевые шпаты  редко встречаются в чистом виде, чаще – в смеси  этих минералов. Основное требование, предъявляемое к ним – легкоплавкость. При введении в состав массы в обжиге они образуют вязкое стекло, которое в фаянсовых массах частично заполняет поры и способствует спеканию. В фарфоровых массах полевой шпат с другими компонентами образует сплавы, заполняющие поры до монолитного стекловидного состояния. Реакционная способность расплава возрастает с повышением температуры и тонкости помола компонентов. У альбитов она выше, чем у ортоклазов и плагиоклазов. Вредные примеси в полевых шпатах – оксиды железа, которых должно быть не более 0,1…1%.

Пегматиты – это полевые шпаты, проросшие кристаллами кварца, содержание которого может колебаться в широких пределах. Ввиду того, что кварц и полевой шпат являются компонентами фарфоровых и фаянсовых масс, пегматиты являются заменителями полевых шпатов и частично кварца. Поведение пегматита в обжиге зависит от свойств полевого шпата, входящего в его состав: температуры плавления и  растворяющей  способности.

2. Нефелиновые сиениты представляют собой сростки минерала нефелина (алюмосиликат натрия) с полевым шпатом. Температура плавления нефелина около 1200°С, содержание щелочей – до 20%. Нефелиновые сиениты используются керамической промышленностью в качестве заменителей полевых шпатов при производстве изделий, не требующих белизны черепка (плитки для полов, кислотоупорные изделия). Нефелиновые сиениты, особенно бокситы, применяемые в керамической промышленности, являются попутными отходами  горнообогатительных комбинатов и получаются в виде тонкомолотых порошков. Поэтому их использование экономически выгодно. Но они загрязнены железистыми и магнезиальными примесями и имеют темно-серую окраску. Поэтому в производстве фаянса и фарфора не применяются. Наряду с нефелиновым сиенитом ведутся успешные опыты по использованию других щелочесодержащих пород в качестве заменителей полевых шпатов, например гранитов. Помимо указанных добавок в производстве разных видов керамических изделий используются и другие добавки. Их характеристика и влияние будут рассмотрены при описании технологии соответствующих видов изделий.

3. Доломит – двойная соль СаСО3·МgСО3. Разновидности доломита используются как заменители мела и мрамора в производстве изделий тонкой керамики. Температура диссоциации доломита 765…895 °С. Он оказывает на керамические массы более сильное флюсующее действие, чем чистые СаСО3 и МgСО3, что позволяет снизить температуру обжига масс и глазурей.

4. Тальк 4SiО·3МgO·Н2O имеет огнеупорность 1500…1520°С. Плотная разновидность талька называется жировиком, или стеатитом. Его месторождения имеются на Урале. Это мягкий минерал, легко поддающийся обработке. Чаще всего он применяется в тонкой керамике, включая изделия специального назначения. Добавка талька в фаянсовую массу предотвращает образование трещин в глазурном слое – «цека» – и повышает термостойкость. Тальк, используемый в тонкой керамике, должен иметь однородный состав: содержание оксидов железа не должно превышать 0,3…0,6, а СаО –0,2…1,9%.

Выгорающие добавки

Выгорающие добавки выгорают в обжиге почти целиком (за исключением зольной части). В технологии керамики они чаще применяются при производстве стеновых материалов. К ним относятся опилки, уголь, золы ТЭЦ.

1. Древесные опилки при производстве строительного кирпича вводятся в массу для улучшения сушильных свойств полуфабриката (сырца). Являясь длинноволокнистыми, опилки армируют глинистые частицы и повышают сопротивление разрыву керамической массы и трещиностойкость в сушке. В обжиге они выгорают, оставляя в керамике относительно крупные поры, увеличивающие водопоглощение кирпича, теплоизоляционные свойства, но снижающие морозостойкость. В кирпичные массы добавляют обычно 5…10% опилок (от объема глины). В таком количестве они ускоряют сушку и существенно не снижают прочность кирпича, несмотря на увеличение пористости. Наиболее эффективно повышают трещиностойкость кирпича опилки продольной резки.

2. Антрацит и тощие каменные угли добавляют в глину до 60% от требуемого на обжиг объема топлива, или 2…2,5% от объема глины. В таких количествах каменный уголь оказывает небольшое влияние на пористость кирпича. Основное его назначение – создать восстановительную среду в толще обжигаемого материала. Это интенсифицирует процесс спекания и упрочнения керамики. В изломе кирпича, полученного из глины и угля, видна темно-малиновая уплотненная зона, повышающая его прочность.

3. Бурые угли добавляют в глину с той же целью. При их использовании увеличивается недожог кирпича вследствие улетучивания горючих веществ при температурах ниже температуры их воспламенения. Выделение тепла и газов происходит более равномерно и в более широком температурном интервале, чем при вводе антрацита, поэтому почти не возникает пережог кирпича, и его обжиг можно вести более уверенно.

4. Золы ТЭЦ также используются в качестве добавок в глину при производстве кирпича. Они действуют как отощители, а при наличии в золе недожога  – невыгоревшего остатка кокса – как выгорающие добавки.

Поделись с друзьями