Книги по строительству и ремонту

Строительные материалы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Основным сырьем для производства керамических изделий являются различные глины, а также шамот, кварцевый песок, шлак и органические добавки (древесные опилки, угольная и торфяная пыль), выгорающие при обжиге.

1. ГЛИНЫ

Общие сведения

Советский ученый проф. П. А. Земятченский, работы которого сыграли видную роль в изучении глин как исходного продукта для получения керамических изделий, дал следующее определение глины: «Глиной называются землистые минеральные массы, или землистые обломочные горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига получающее твердость камня».

Глины образовались в результате выветривания изверженных по-левошпатных горных пород. Процесс выветривания горной породы состоит из механического разрушения и химического разложения. Механическое разрушение происходит в результате воздействия переменной температуры, воды и ветра, химическое разложение — в результате воздействия различных реагентов, например воды и углекислоты на (полевой шпат, когда образуется минерал каолинит А12О3 • 2 БЮг • 2 НгО (см. главу II).

Наиболее чистые глины, состоящие преимущественно из каолинита, называют каолинами. Обычные глины отличаются от каолинов химическим и минералогическим составом, так как помимо каолинита они содержат кварц, слюду, полевые шпаты, кальцит, магнезит и др.

Классификация глин

По условиям образования глины делят на остаточные и перенесенные.

Остаточные глины первичных отложений обычно засорены частицами горной породы, из которой они образовались.

Перенесенные или осадочные глины более дисперсны, свободны от крупных фракций материнских пород, но могут быть засорены песком, известняком, железистыми соединениями и т. п.

 Сырье для- производства керамических изделий

По отношению к высоким температурам различают ' глины трех групп: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

"Огнеупорные глины обладают высокой огнеупорностью — не ниже 1580° С. Это чистые каолинитовые глины, содержащие мало механических примесей, в той или иной степени понижающих огнеупорность. Они обладают большой дисперсностью и очень высокой пластичностью. Глины, имеющие после обжига белый цвет, называются фарфоровыми, их применяют для производства фаянса и фарфора.

„Тугоплавкие глины имеют огнеупорность от 1350 до 1580° С. Они содержат небольшое количество примесей кварца, полевого шпата, слюды, карбонатов кальция и магния; применяют их главным образом для производства облицовочного кирпича, плиток для полов, канализационных труб и т. д.

л Легкоплавкие глины имеют огнеупорность ниже 1350° С. Эти глины наиболее разнообразны по составу: они имеют примеси песка, известняка, окислов железа, слюды, органических веществ и т.д. Их применяют для производства кирпича, блоков, черепицы и аналогичных изделий

Химический состав глин

Глины состоят из различных окислов, свободной и химически связанной воды и органических примесей,; В число окислов, составляющих глины, входят: глинозем AI2O3, кремнезем ЭЮг, окись железа Fe2O3, окись кальция СаО, окись натрия Na2O, окись магния MgO и окись калия КгО.цГлинозем оказывает наибольшее влияние на свойства керамических изделий и является важнейшей составной частью глины. Чем выше содержанке глинозема, тем выше пластичность и огнеупорность глины. Кремнезем является основным (по количеству) окислом, образующим глины — количество его достигает 60—78%.\

Помимо окиси железа в состав глин входят закись железа FeO, пирит FeS2 и другие модификации железа.; От количества железа и его модификации зависит цвет керамических изделий и температура спекания черепка. Наиболее плотный черепок получается при наличии, в глине закиси железа.

Содержание окиси кальция (в виде карбонатов и сульфатов кальция) в некоторых глинах достигает 25%. Эти соединения кальция сокращают период спекания глин, что ухудшает условия обжига керамических изделий. Такое же влияние на обжиг изделий оказывает и окись магния, находящаяся в глинах в виде карбоната MgCO3 и доломита MgCO3-CaCO3. В незначительных количествах в глинах встречается в виде примесей сернистый ангидрид SO3. Однако если он находится в соединениях с магнием или натрием, то он может вредно влиять на прочность изделий. (Полезными примесями можно считать окись калия и окись натрия КгО и Na2O, которые служат плавнями, понижающими температуру обжига изделий и придающими им большую прочность. Окиси различных металлов, например марганца, титана и др., содержатся в очень небольших количествах и мало влияют на свойства глин. Вообще на свойства глин влияет не только количественное содержание тех или иных окислов, но и их соотношение./'

Примеси оказывают большое влияние на свойства глин. Так,/_при повышенном содержании свободного кремнезема, не связанного с А12О3 в глинистые минералы, уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и понижается их прочность. Из глин, содержащих SiO2 более 80—85% и А12О3 менее 6—8%, керамических материалов получить невозможно. Соединения 4—12 железа, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций СаСО3 понижает огнеупорность, уменьшает интервал спекания и увеличивает усадку при обжиге, увеличивает пористость и этим понижает прочность и морозостойкость изделий.

Вода содержится в глинах как в виде свободной, так и химически связанной, т. е. входящей в состав глинообразующих минералов. Наличие в глине тех или иных минералов дает возможность судить о количестве химически связанной воды и, следовательно, о отношении к сушке и обжигу. От содержания органических веществ, находящихся в глине в виде остатков растений и гумусовых веществ, также зависят потери глин при обжиге и, следовательно, усадка изделий. Кроме того, повышенное количество органики снижает огнеупорность глин. Знание химического состава глин дает возможность определить степень пригодности их для производства тех или иных керамических изделий.

Основные свойства глин

Важнейшими свойствами глин являются следующие: пластичность, отношение к сушке (воздушная усадка) и отношение к высокой температуре.

Пластичность является важнейшим технологическим свойством глин, обусловливающим возможность формования из них различных керамических изделий. Степень пластичности зависит от минералогического и гранулометрического (зернового) состава, формы и харак-тера поверхности зерен (шероховатая или окатанная), а также от содержания растворимых солей, органических примесей и воды.

Имеется много методов определения пластичности. Наиболее широкое распространение получил метод, характеризующий пластичность по величине воздушной усадки глиняного теста и количества воды затворения, необходимого для получения удобоформуемой массы. Глины более пластичные требуют большего количества воды и дают большую усадку, чем тощие малопластичные глины. С По степени пластичности глины делят на высокопластичные, имеющие водопотребность более 28% с воздушной усадкой от 10 до 15%, средней пластичности — водопотребность от 20 до 28%, воздушная усадка от 7 до 10% и малопластичные — водопотребность менее 20%, воздушная усадка от 5 до 7%.

Пластичность глины можно повышать добавлением более пластичной глины, а также путем отмучивания, т. е. освобождением глины от примесей песка. Механическая обработка и вылеживание также повышают пластичность глин. Понижение пластичности достигается добавлением отощающих добавок.

Пластичность глин зависит от гранулометрического состава: чем больше содержание глинистых частиц (мельче 0,001 мм), тем выше пластичность. В состав глины входят различные по крупности частицы: от 5 до 0,14 мм — песчаные фракции, от 0,14 до 0,005 мм — пылевидные фракции и менее 0,005 мм — глинистые фракции. Огнеупорные глины являются высокодисперсными — содержание фракций меньше 0,001 мм составляет 60—80%. В легкоплавких глинах преобладают фракции от 0,01 до 0,001 мм.

Г" Воздушной усадкой глины называется уменьшение ее объема, происходящее при сушке отформованных изделий в условиях нормальной (комнатной) температуры воздуха, вследствие удаления из нее воды и сближения глинистых частиц; величина усадки выражается в процентах и для кирпичных глин колеблется в пределах от 4 до 15%.

Отношение глин к высокой температуре. Наряду с пластичностью характерным свойством глин является их способность превращаться при обжиге в камиевидную массу. Этот процесс сопровождается изменением цвета и удельного веса глин, потерей пластичности и уменьшением объема.] При обжиге глин в начальной период повышения температуры удаляется химически несвязанная вода, затем выгорают органические добавки.

Потеря пластичности глины связана с дегидратацией водных алюмосиликатов, имеющихся в глинах: она происходит при температуре 450—750° С. Дальнейшее повышение температуры соответствует собственно обжигу. При этом начинает расплавляться некоторая легкоплавкая составная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает перасплавившиеся частицы глины. При охлаждении расплавленная часть глины затвердевает и цементирует нерасплавившиеся частицы. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема — огневая усадка. Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины. При дальнейшем повышении температуры масса переходит в текучее состояние — наступает плавление глины.

На цвет обожженных глин оказывает влияние главным образом содержание окислов железа, которые окрашивают керамические изделия в красный цвет при избытке в газовой среде кислорода, в темно-коричневый или черный цвет — при недостатке кислорода. Если глина содержит известняк в тонкодисперсном состоянии, то интенсивность окраски изделий уменьшается.

гЛ Свойства глины, не расплавляясь противостоять воздействию высоких температур, называют огнеупорностью!. Определяют ее керамическими пироскопамиj (конусами Зегера),] имеющими форму трехгранной пирамиды высотой 30 мм и стороной у основания 8 мм, а у вершины 2 мм и характеризуют той температурой, при которой конус размягчается и оседает, касаясь своей вершиной подставки, на которой он введен в печь. Для определения огнеупорности глины из нее изготавливают образец,' подобный конусу Зегера, устанавливают его вместе с. несколькими конусами, имеющими разные температуры огнеупорности, и конусы нагревают. Огнеупорность глины соответствует огнеупорности того конуса, который коснулся своей вершиной подставки одновременно с испытуемым образцом. Разность между температурой начала спекания и огнеупорностью глины называется интервалом спекания, он находится в пределах 100—150° у чистых каолинитовых глин и 25—50° у глин, используемых для обыкновенного глиняного кирпича

2. ДОБАВКИ К ГЛИНАМ

Для придания различных свойств как глинам, так и получаемым из них керамическим изделиям в глину вводят различные добавки. Кратко  рассмотрим добавки,  имеющие наиболее частое применение.

Отощающие добавки

В высокопластичные глины, требующие для затворения большого количества воды (до 28%) и поэтому дающие большую линейную усадку при сушке и обжиге (до 15%), необходимо вводить отощающие добавки, т. е. непластичные вещества. При этом значительно уменьшается количество воды,  необходимой для затворения глиняного теста, что сокращает размер усадки  (до 2—6%).

VB качестве отощающих добавок чаще всего применяют вещества неорганического происхождения — кварцевый песок, шамот (обожженная и измельченная глина) и бой изделий, молотый шлак и золу. Эти добавки не только уменьшают усадку изделий, но и улучшают формовочные свойства массы, облегчают технологический процесс производства и устраняют брак. В ряде случаев они улучшают физические свойства изделий, например  термостойкость и   теплопроводность.

Выгорающие добавки

Для получения изделий с меньшим объемным весом и увеличенной пористостью применяют органические выгорающие добавки. Наиболее часто используются древесные опилки, угольная мелочь и угольный порошок, торфяная пыль и др. Применяют также вещества, выделяющие при высокой температуре обжига углекислоту, что ведет к образованию пор — мел, доломит и глинистый мергель (в молотом виде). Все эти добавки обладают также и свойствами отощающих добавок.

Специальные добавки

Для придания керамическим изделиям специальных свойств могут применяться соответствующие добавки. Так, например, при изготовлении кислотоупорных изделий и облицовочных плиток добавками к глинам являются песчаные смеси, затворенные жидким стеклом или щелочами. При необходимости понижения температуры обжига некоторых изделий в глину вводятся флюсы (плавни) — молотый полевой шпат, руды, содержащие железо, песчаник и др. В качестве добавок, повышающих пластичность формовочной массы, применяют в небольших дозах (0,1—0,3%) поЕерхностно-активные вещества, например сульфитно-спиртовую барду. Для повышения качества кирпича в ви-де добавки употребляют пирофосфаты  и  полифосфаты натрия.

Как специальные добавки можно рассматривать и окислы некоторых металлов, добавляемые в массу беложгущихся глин' для окраски ее в определенный цвет.