Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций

Раздел: Строительство

Для производства керамики используют природные и искусственные сырьевые материалы. В зависимости от основной функции в керамических массах их можно разделить на три основные группы: пластичные, отоща- ющие и плавни. В особую группу выделяют технологические добавки, придающие те или иные свойства керамическим массам или готовым изделиям.

К пластичным материалам относят глины и каолины. Глина представляет собой осадочную горную породу, состоящую из каолинита Al203-2Si02-2H20, монтмориллонита Al203-4Si02-H20-nH20, иллита (гидрослюды) K20-Mg0-4Al203-7Si02-2H20 и других глинистых минералов, придающих ей пластические свойства, и примесей (кварцевых, карбонатных, железистых, сульфатных, органических, растворимых солей и др.). В техническом понимании глина представляет собой осадочную горную породу, которая во влажном состоянии легко формуется, при высыхании становится твердой и хрупкой, сохраняя приданную ей форму, а после обжига теряет восприимчивость к воздействию воды и переходит в необратимое камнеподобное состояние.

Пластинчатое строение кристаллической решетки глинистых минералов обусловливает относительно свободное перемещение отдельных частиц глин при затво- рении их водой. Этим объясняется их пластичность. Свойства этих минералов различны, что связано с особенностями строения их кристаллических решеток. Каолинит отличается плотным строением кристаллической решетки, в связи с чем он плохо присоединяет воду при увлажнении и легко отдает ее при сушке. Каолинит повышает огнеупорность глин.

Кристаллическая решетка монтмориллонита отличается неплотным строением, она очень подвижна, способна присоединять и прочно удерживать большое количество воды. Монтмориллонитовые глины отличаются очень большой набухаемостыо, пластичностью, но капризны в сушке.

Иллит по своим свойствам и, прежде всего, по отношению к воде занимает промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Примеси в глинах находятся в виде тонкодисперсных частиц либо включений. Включениями считают час- стицы размером более 0,5 мм в производстве тонкой керамики и размером более 2 мм в производстве изделий грубой керамики. Примеси оказывают существенное влияние как на формовочные свойства глин, так и на свойства готовых изделий.

Широко распространенная примесь — кварцевый песок; он содержится в глинах в различных количествах (до 60%), ухудшая пластичность и связующую способность глин, а также их обжиговые свойства путем снижения трещиностойкости в процессе охлаждения обожженных изделий вследствие модификационных превращений кварца. При этом возможно снижение прочности и морозостойкости изделий. Однако крупный кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, поэтому его иногда специально вводят в состав формовочных масс для повышения их трещиностойкости при сушке. Тонкодисперсный кварцевый песок (шлюф) ухудшает сушильные свойства глин.

Железистые примеси, встречающиеся в глинах в виде включений гидроксида железа, минералов лимонита Fe203-H20-nH20, пирита FeS2 и сидерита FeC03, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глин и окрашивают обжигаемые изделия в красно-бурые тона. Такие примеси ухудшают качество беложгу- щихся изделий (фасадных и облицовочных плиток, лицевого кирпича светлых тонов, фарфора, фаянса, архитектурно-художественных деталей), но повышают качество изделий с плотным черепком (плиток для полов, канализационных труб), а также глиняного кирпича и пористых заполнителей (керамзита и аглопорита). Снижают качество изделий включения пирита и в меньшей степени сидерита. Они образуют в процессе обжига черный железистый легкоплавкий шлак в виде выплавок.

Карбонатные примеси (кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания изделий, незначительно повышают их пористость и понижают прочность. Для производства стеновой керамики карбонатные примеси в тонкодисперсном виде не вредны, а для производства изделий с плотным черепком очень вредны. Наиболее вредны каменистые карбонатные включения, не полностью реагирующие при обжиге с компонентами глины. Образующийся оксид кальция при поглощении водяных паров из воздуха или при увлажнении обожженных изделий гидратируется с резким увеличением объема, разрушая их.

Встречающийся иногда в глинах гипс является вредной примесью, приводящей к образованию выплавок.

Органические примеси окрашивают глину и обожженные изделия в темные тона, поэтому нежелательны при получении беложгущихся изделий. В процессе обжига органические примеси выгорают, повышая пористость изделий и создавая восстановительную среду внутри черепка. В связи с этим они полезны для производства стеновой керамики и керамзита и вредны для производства изделий с плотным черепком. Растворимые соли, особенно сульфатные, мигрируя в процессе сушки на поверхность изделия, образуют на ней белые соляные налеты. Сульфат натрия, кристаллизуясь в порах изделия, может привести к его разрушению.

Глины, имеющие незначительное количество примесей и состоящие преимущественно из каолинита, называют каолинами. Каолины по сравнению с глинами характеризуются более крупнокристаллическим строением и меньшей пластичностью.

Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. Они отличаются очень высокой дисперсностью (частиц размером менее 0,001 мм содержится 85—90 %) и пластичностью.

Химический состав глин колеблется в широких пределах и во многом определяет их свойства. Содержание кремнезема Si02 составляет от 55—65 % до 80—85 % в сильно запесочениых глинах, глинозема А1203 от 10— 15% в кирпичных глинах до 32 — 35 % в огнеупорных, оксидов железа от долей процента в беложгущихся глинах до 8—10 % и более в кирпичных, оксидов СаО и MgO 2—3 % (редко содержание СаО до 20—25 %). щелочей Na20 и К20 до 5—6 %, двуокиси титана Ti02 до 1,5 %. Наиболее тугоплавким оксидом, повышающим огнеупорность глин и прочность обожженных изделий, является глинозем.

Гранулометрический состав глин тесно связан с их минералогическим и химическим составами. Он оказывает существенное влияние на свойства глин. Чем более тонкодисперсна глина, тем выше ее пластичность, связующая способность, больше воздушная усадка и ниже трещиностойкость при сушке. Высокопластичные глины содержат частиц размером <5 мкм (глинистой фракции) до 80—90 % и незначительное количество пылевидной фракции (размером 5—50 мкм) и песчаной фракции (50 мкм — 2 мм).

Важнейшие свойства глин — свойства, проявляющиеся при взаимодействии их с водой (пластичность, связующая способность), при сушке изделий (воздушная усадка) и при их обжиге (огневая усадка, огнеупорность, спекаемость).

Пластичность глин — их способность при затворении водой образовывать тесто, которое под воздействием внешних сил может принимать любую форму без появления трещин и разрывов и сохранять ее после прекращения действия этих сил. Пластичность глин зависит от их гранулометрического и минералогического составов: чем больше глинистой фракции и чем больше монтмориллонита в составе глины, тем она пластичнее, легче формуется и тем большую усадку при сушке имеет. Пластичность глин регулируют: введением отощающих добавок в излишне пластичные, имеющие очень большую усадку при сушке глины; введением в тощие глины высокопластичных глин или пластифицирующих добавок либо применением специальных приемов — вылеживанием или отмучиванием глины, вакуумированием, обработкой ее паром, усиленной механической обработкой на глиноперерабатывающих машинах (бегунах, вальцах, глиномялках и др.).

Связующая способность глин — их способность связывать частицы непластичных материалов и образовывать при затворении водой хорошо формующуюся массу без значительной потери прочности сформованного сырца. Определяется она максимально возможным количеством чистого кварцевого песка, при добавке которого можно получить массу с хорошими формовочными свойствами. Высокопластичные глины допускают введение песка до 60—80 %.

Воздушная усадка глин (линейная или объемная) — сокращение линейных размеров и объема образца при сушке — происходит в результате уменьшения толщины водных оболочек вокруг частиц глины под действием сил капиллярного давления, а также по мере подсыхания под действием сил осмотического давления и межмолекулярного притяжения. Воздушная линейная усадка глин колеблется от 2 до 10—12 % в зависимости от их гранулометрического состава, увеличиваясь с повышением содержания тонкодисперсных фракций. Воздушная усадка в значительной степени влияет на трещи- ностойкость изделий при сушке. С целью уменьшения усадочных напряжений и повышения трещиностойкости изделий при сушке в состав формовочной массы вводят отощители (песок, шамот, бой кирпича, опилки), ПАВ (СДБ и др.) или вакуумируют глину, орошают поверхность глиняного бруса при формовании изделий влаго- задерживающими составами (например битумной эмульсией) и т. п.

Огневая усадка глин (сокращение линейных размеров и объема образца при обжиге) происходит в результате сближения частиц под действием сил поверхностного натяжения образующейся вокруг них жидкой фазы. Огневая усадка колеблется в пределах 2—8 % в зависимости от химико-минералогического состава глины. У сильно запесоченных глин в процессе обжига иногда наблюдается не усадка, а увеличение объема из-за мо- дификационных превращений кварца.

Огнеупорность глин — их способность противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Глинистые материалы в силу своей полиминеральности не имеют определенной температуры плавления, они плавятся в некотором интервале температур. Условно за огнеупорность глин принимают температуру, при которой стандартный образец из нее в форме трехгранной усеченной пирамиды высотой 30 мм, со сторонами нижнего основания 8 мм и верхнего основания 2 мм коснется вершиной подставки, на которой он установлен. По огнеупорности глины подразделяют на легкоплавкие (tor менее 1350 °С), тугоплавкие (t0г 1350—1580 °С), огнеупорные (tor более 1580°С).

Спекаемость глин — их способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камнеподобного черепка. Спекание бывает жидкостным — путем стягивания твердых частиц образующейся при обжиге жидкой фазой и твердофазовым — путем рекристаллизации минералов и реакций в твердой фазе. При спекании резко увеличивается прочность и уменьшается водопо- глощение изделий. Спекшимся считается черепок с во- допоглощением менее 5 % без признаков пережога, а полностью спекшимся — с водопоглощением не более 1-2 %.

Для регулирования пластических свойств глин, снижения усадок при сушке и обжиге, предотвращения появления в процессе тепловой обработки трещин и деформаций и получения бездефектных изделий в состав керамических масс вводят отощающие добавки: кварцевый песок, низкопластичные глинистые породы, шамот, дегидратированную глину, топливные и другие шлаки,

золы ТЭС, бой и брак обожженных керамических изделий и др.

К Кварцевые пески являются одним из лучших приходных отощителей. В производстве строительной керамики применяют кварцевые пески крупностью 0,25— 1 мм. Мелкие пески ухудшают сушильные свойства глин и снижают их связность, более крупный песок ухудшает внешний вид изделий — получается шероховатая поверхность. Обычно вводят 10—25 % кварцевого песка, большее количество такой добавки может привести к снижению прочности и морозостойкости изделий. При нагревании кварц претерпевает ряд полиморфных превращений. Эти превращения сопровождаются объемными изменениями, особенно значительными и опасными при больших структурных превращениях в кристаллической решетке и переходе в разноименную модификацию. В связи с этим при выборе режима обжига изделий следует учитывать необходимость температурных остановок для локализации напряжений от модифика- ционных превращений кварца.

В технологии тонкой керамики наиболее пригодны жильный кварц и кварциты. При обжиге свыше 1000 °С кварцевые материалы реагируют с легкоплавкими соединениями в глинах, участвуя в процессе спекания керамического черепка. Растворяясь в силикатных расплавах, кварц способствует увеличению вязкости жидкой фазы и предотвращению деформаций изделия.

Из искусственных отощителей в производстве тонкой керамики и огнеупорных материалов наиболее часто применяют шамот, получаемый обжигом в шахтных или вращающихся печах огнеупорных и тугоплавких глин при тех же температурах, при которых обжигают изделия, с последующим измельчением до частиц размером 0,14—2 мм.

Дегидратированную глину получают обжигом во вращающихся печах, иногда на ленточных агломерационных машинах или в печах кипящего слоя при 600— 800°С. При такой температуре она теряет пластические свойства и приобретает свойства отощителя. Применяют дегидратированную глину обычно в производстве стеновой керамики, добавляя в состав формовочной массы 30—50 %.

К отощающим добавкам, выполняющим одновременно роль выгорающих, относят древесные опилки, уголь, торф, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС. Эти добавки при низких температурах играют роль ото- щающих, а при высоких температурах способствуют обжигу, снижают расход топлива, повышая пористость и уменьшая плотность изделия.

Плавни вводят в состав керамических масс с целью повышения степени спекания керамической массы и понижения температуры обжига изделий, увеличения их плотности и прочности и уменьшения водопоглощения. К плавням относят материалы, которые либо сами имеют более низкую температуру плавления, чем глина,и этим обусловливают снижение температуры ее спекания, либо образуют в процессе обжига при реакции с компонентами керамической массы легкоплавкие соединения. К первым относят полевые шпаты, пегматиты, нефелиновые сиениты и др., ко вторым—доломит, мел, магнезит и др.

Полевошпатные породы обеспечивают появление в керамических массах расплава стекловидной фазы, необходимой для спекания черепка. Эта фаза растворяет кремнеземистые компоненты керамической массы, придает изделиям при обжиге стойкость к деформациям и способствует образованию новых кристаллических фаз из расплава, в том числе муллита 3Al203-2Si02, повышающего прочность изделий.

Наиболее ценным сырьем, применяемым в качестве плавней, обеспечивающим высокую степень спекания и минимальные деформации изделий, является калиевый голевой шпат (ортоклаз, микроклин) К20-А1203-6Si02. Его особенность заключается в большой вязкости при высоких температурах и незначительном понижении ее с повышением температуры. Полное расплавление его происходит при 1510—1530 °С.

Натриевый полевой шпат (альбит) Na20-Al203- •6Si02—по сравнению с калиевым менее качественное сырье. Он имеет значительно меньшую вязкость при высоких температурах, более низкую температуру плавления (1120—1200°С), меньший интервал вязкого состояния, что обусловливает склонность обжигаемых изделий к деформациям. Полевые шпаты в чистом виде редко встречаются в природе. В связи с этим широко применяют горные породы, содержащие твердые растворы калиевого и натриевого полевого шпата: пегматиты, нефелиновые сиениты и др.

В качестве плавней в керамическом производстве применяют также растворимые соли щелочных металлов: соду Na2C03- 10Н20, буру Na20-2B203-ЮН20 и др., которые предварительно спекают или сплавляют (фриттуют) с частью шихты, чем и ускоряют спекание керамических масс. В последние годы вместо полевых шпатов при изготовлении плиток и санитарно-технических изделий стали применять перлит — кислое вулканическое стекло, размягчающееся при 980—1070 °С и плавящееся при 1300—1320°С. Доломит CaC03-MgC03, магнезит MgC03, мел СаС03 — при обжиге диссоциируют с выделением С02. Образующиеся при этом оксиды СаО, MgO реагируют с компонентами керамической массы, образуя легкоплавкие соединения.

В зависимости от области применения керамических изделий для придания им тех или иных свойств в состав массы вводят специальные добавки. Так, для получения теплоизоляционной керамики вводят поро- образующие добавки: газо- и пенообразователи, легкие пористые заполнители (например вспученный перлит), выгорающие добавки (древесные опилки, полистирол и др.). С целью повышения пластичности массы вводят добавки высокопластичных глин, бентонит, лигнин, ПАВ.

Для предотвращения образования соляных налетов на глиняном кирпиче при использовании глин, содержащих растворимые соли, вводят виттерит—карбонат бария.