Министерство путей сообщения Российской Федерации

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Методические указания к лабораторным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра "Строительные материалы и технологии"

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Методические указания к лабораторным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 691.4 ББК 312.12

Рассмотрены наиболее распространенные строи­тельные керамические материалы и изделия, их свойства, методы испытаний.

Предназначены для студентов всех форм обуче­ния специальности № 290300 "Промышленное и гражданское строительство".

Методические указания разработали Т.М.Петрова, А.Н.Полтавченко

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, изготовляемые из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких температурах. Название "керамика” происходит от греческого слова ceramos - посуда. Исторически это объясняется тем, что в глубокой древности из глины изготовляли посуду, сначала не обожженную, только высушенную, впоследствии обожженную.

Изготовление строительной керамики началось около 3000 лет назад. Глубокое изучение месторождений, свойств глинистого сырья выполнено акад. В.И.Вернадским, проф. А.П.Земятченским. Развитие керамического производства связано с работами акад. А.И.Августиника, Д.С.Белянкина, П.П.Будникова, профессоров Т.В.Куколева, Д.Н.Полубояринова и др.

Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком. В понятие "строительные керамические материалы и изделия" входит широкий круг материалов с различными свойствами. Их классифицируют по ряду признаков.

По структуре различают керамические изделия с пористым и со спекшимся (плотным) черепком. Пористыми условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка по массе превышает 5% (в среднем 8...20%). К ним относятся изделия как грубой (керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы), так и тонкой (облицовочные плитки, фаянсовые изделия) керамики. Спекшимся (плотным) считают черепок с водопоглощением менее 5% (чаще 2...4%), как правило, он практически водонепроницаем. К плотным относят изделия грубой (клинкерный кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты) и тонкой (плитки для полов, полуфарфор, фарфор) керамики.

По назначению керамические изделия подразделяют: на стеновые (кирпич и керамические камни), отделочные (лицевой кирпич и камни, плитка), для перекрытий (пустотелые камни), для полов (плитки), кровельные (черепица), дорожные (дорожный кирпич), санитарно- технические (изделия из строительного фаянса), кислотоупорные (кирпич, плитка, трубы и т.д.), теплоизоляционные (легкий кирпич, фасонные изделия), огнеупорные, заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).

По температуре плавления керамические материалы и изделия подразделяются на легкоплавкие (с температурой плавления менее 1350 °С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350..1580 °С), огне­упорные (1580...2000 °С), высшей огнеупорности (более 2000 °С).

2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Основным материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде или в смеси с добавками - отощающими, выгорающими, плавнями, пластификаторами и др. Глинистое сырье (глины и каолиниты) представляет собой продукт выветривания изверженных пылеватых горных пород. Глины состоят из плотной смеси различных глинистых минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенными из них являются каолинитовые (каолинит Аl₂0з 2Н₂0 и галлуазит А1₂0з 3SiO₂ 4Н₂0), монтморил-лонитовые (монтмориллонит А1₂0з , бейделлит А1₂0з ) и гидрослюдистые (в основном продукты разной степени гидратации слюд). Глинистые минеральные частицы с диаметром равным или менее 0,005 мм обладают способностью при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании свою форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность. Таким образом, чем больше в глине содержится глинистого вещества, тем она пластичнее. Высокопластичные глины содержат таких частиц 80...90%. В большей части глин имеются и более крупные частицы, не обладающие свойствами пластичности. При величине зерен 0,005...0,05 мм их относят к пыли, 0,05...2 мм - к песку.

Химический состав глин выражается содержанием и соотношением различных оксидов. В керамическом сырье содержание важнейших оксидов колеблется в широких пределах: SiO₂- 40...80%, А1₂0з - 8...50%, Fе₂Оз - 0...15%, СаО - 0,5...25%, Мg0 - 0...4%, R.₂0 - 0,3.„5%. С увеличением процентного содержания А1₂0з повышается пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания SiO₂ пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсный известняк придает светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а камневидные его включения являются причиной появления "дутиков" и трещин в керамических изделиях. Оксиды щелочных металлов (Na₂0, К₂0) являются сильными плавнями,

способствуют повышению 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.

Керамические свойства глин характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичность - способность глинистого теста деформироваться под влиянием внешних механических воздействий без нарушения сплошности и сохранять полученную форму после прекращения этих воздействий.

Техническим показателем пластичности является число пластичности:

Пл= W_т- W_р, (2.1)

где W_Т и Wр - значения влажности, %, соответствующие пределам текучести и раскатывания глиняного жгута (рис. 1).

Связность - усилие, необходимое для разъединения частиц глины.

Связующая способность глины выражается в том, что она может связывать частицы непластичных материалов и образовывать при высыхании достаточно прочные изделия - сырец.

Воздушная усадка (усушка) глин - уменьшение размеров и объема сырцового изделия.

Огневая усадка глин - изменение размеров и объема при обжиге изделий.

Огнеупорность - способность глин выдерживать действие высоких температур без деформации.

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. С повышением температуры обжига возрастает степень спекания и уменьшается водопоглошение до точки С, в которой появляются признаки пережога (рис. 2).

Для придания необходимых свойств глинам и изделиям из них в глину вводят различные добавки.

Отощающие добавки вводят в пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок.

Порообразующие (выгорающие) добавки вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. Это - древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Такие добавки являются одновременно и отошающими.

Рис 1 Изменение деформативных свойств глины в зависимости от влажности Область состояния:

А - хрупкого; Б - пластического;

В - вязкотекучего

Рис. 2. Зависимость изменения водопоглощения керамического материала от температуры обжига: - температура обжига

Добавки плавни, например полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, стеклобой, перлит, вводят с целью снижения температуры обжига керамических изделий.

Пластифицирующие добавки вводят для повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. К ним относятся: высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др).

Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно- гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом.

Глазурь - стекловидное покрытие толщиной 0,1...0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными). Для изготовления глазури используют кварцевый песок, каолины, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Их размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий перед обжигом.

к
•ч

Ангобом называется нанесенный на изделие до обжига тонкий слой белой или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к свойствам основного черепка (для предотвращения неравномерной усадки).

При изготовлении керамических изделий могут использоваться попутные продукты промышленности: керамический бой (отошающие добавки), золошлаковые отходы (отощающие или топливосодержащие добавки). Разработан способ получения зольной керамики, где золошлаковые отходы ТЭС являются уже не добавочным материалом, а основным сырьевым компонентом.

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, виду сырья и технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добычи сырьевых материалов, подготовки массы, формования изделий (пластического, полусухого, сухого, способом литья, шликерного), их сушки и обжига

3. СТРУКТУРА И ОБЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Керамические материалы представляют собой композиционные материалы, в которых матрица, или непрерывная фаза, представлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза - нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песчаных фракций, а также порами и пустотами, заполненными воздухом. Материал матрицы в свою очередь представляет собой микрокомпозиционный материал, состоящий из матрицы - непрерывной стекловидной фазы застывшего расплава и дисперсной фазы - кристаллических зерен силлиманита, муллита, кремнезема различных фракций и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов). Стекловидная, аморфная фаза (пере­охлажденная жидкость) представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава.

Истинная плотность керамических материалов составляет 2500...2700 кг/м³; средняя плотность - 200...2300 кг/м³; коэффициент теплопроводности абсолютно плотного черепка -1,16 Вт/(м °С), пористого керамического материала - 0,07... 1,0 Вт/(м °С).

Предел прочности при сжатии керамических изделий изменяется от 0,05 до 1000 МПа. Водопоглощение керамических материалов зависит от пористости и может меняться от 0 до 70%, марки по морозостойкости - от F15 до F100.

Для оценки качества керамических материалов в лабораторных условиях проверяют следующие основные свойства: внешний вид, форму и размеры, степень обжига, предел прочности при сжатии и изгибе, водопоглощение, морозостойкость и др. У некоторых изделий оценивают специальные свойства, отвечающие условиям их службы, например, для напольных плиток - истираемость, для глазурованных облицовочных плиток - термостойкость.

4. СТЕНОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Как уже отмечалось, по назначению керамические изделия делятся на различные виды, и среди них стеновые очень широко используются в строительстве, в технике, в быту.

К группе стеновых изделий относятся: кирпич керамический обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки, плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней.

По плотности и степени эффективности керамические кирпичи и камни для стен делят на три группы (табл. 4.1)

Таблица 41

Деление стеновых керамических материалов по степени эффективности

Степень эффективности	Средняя плотность, кг/м'
кирпича	керамических камней
Обыкновенные Условноэффективные Эффективные	не менее 1000 1400... 1600 не более 1400	1450.1600 не более 1450

К эффективным стеновым материалам относятся также пористые сплошные и пустотелые кирпич и камни, изготовляемые из диатомитов и трепелов и имеющие плотность: класс А - 700... 1000 кг/м³, класс Б - 1001…1300 кг/м³, класс В > 1301 кг/м³.

Применение эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструкций до 40%, сократить транспортные расходы и нагрузки на основание.

Керамические кирпич и камни подразделяются на виды: кирпич обыкновенный, кирпич модульных размеров, утолщенный, камень

обыкновенный, укрупненный модульный и с горизонтальным расположением пустот (рис. 3). Их размеры должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 4.2.

Т а б л и ц а 4 2

Размеры кирпича и камней в зависимости от вида

Вид изделия	Размер, мм
	длина	ширина	толщина
Кирпич обыкновенный
То же, утолщенный
То же, модульных размеров
То же, модульных размеров
утолщенный
То же, утолщенный с
горизонтальным расположением
пустот
Камень обыкновенный
То же, модульных размеров
То же, модульных размеров
укрупненный
То же, укрупненный
То же, укрупненный с горизонталь­
ным расположением пустот
То же, укрупненный (по согласова­
нию с потребителем)

Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни - только пустотелыми. Масса кирпича в высушенном состоянии не должна быть более 4,3 кг, камней - не более 16 кг. Изделия относятся к группе негорючих материалов, удельная эффективная активность естественных радионуклидов в изделиях не должна быть более 370 Бк/кг.

Допускается изготовление кирпича и камней с закругленными углами с радиусом закругления до 15 мм. Диаметр цилиндрических сквозных пустот и размер стороны квадратных пустот должны быть не более 20 мм, ширина щелевидных пустот - не более 16 мм. Диаметр несквозных и горизонтальных пустот не регламентируется. Толщина наружных стенок кирпича должна быть не менее 12 мм. Для укрупненных камней допускаются пустоты с площадью сечения пустот не более 13% от площади основания.

Рис 3 Типы керамического кирпича и камней: кирпич а - обыкновенный, б - утолщенный, в - модульный;

1 - постель; 2 - ложок; 3 – тычок; камень г - обыкновенный, д - укрупненный, е - модульный, ж, з - с горизонтальным расположением пустот

Водопоглощение кирпичей и камней должно быть для полнотелых изделий не менее 8%, пустотелых - не менее 6%.

Для оценки качества керамического кирпича и камней согласно ГОСТ 530-95 отбирают среднюю пробу от каждой партии (за партию принимают 100 тыс. шт.) и не менее 30 шт. направляют на испытания. При поступлении на строительство кирпича в количестве менее 100 тыс.шт. пробу отбирают как от целой партии. В условиях учебной лаборатории обычно испытывают не менее пяти кирпичей.

4.1. Определение качества керамического кирпича и камней по внешним признакам

Внешним осмотром устанавливают наличие недожога или пережога в контролируемом изделии. Для этого сравнивают отобранные образцы с эталоном (нормально обожженным кирпичом). Более светлый вид (алый кирпич), глухой звук при ударе по изделию молотком указывает на наличие недожога. Пережженное изделие характеризуется оплавлением и вспучиванием, имеет бурый цвет и, как правило, искривлено. Наличие недожога и пережога является браком.

Дата добавления: 2015-09-28