Керамические материалы и изделия

Керамическими (от греческого «керамос» – глина) называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые высокотемпературным обжигом глин с минеральными добавками.

Классификация керамических изделий.По структуре черепка различают: а) плотные изделия со спекшимся черепком (материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком) и водопоглощением менее 5 % (плитки для полов и облицовки фасадов, клинкерный кирпич); б) пористые изделия с водопоглощением более 5 % (стеновые, плитки внутренней облицовки стен).

По назначению различают керамические изделия: для стен (кирпич и керамические камни); облицовки фасадов (лицевой кирпич и камни); плитки для внутренней облицовки стен и полов; кровельные (черепица); санитарно-техническое оборудование (изделия из фаянса); дорог и подземных коммуникаций (дорожный кирпич, трубы и т.п.); теплоизоляции (легкий кирпич, фасонные изделия); кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и т.п.); огнеупоры; заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).

Сырье для производства керамических изделий.Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками – отощающими, пластифицирующими, порообразующими, плавнями и др.

Основные свойства глин как сырья для производства керамики: пластичность и связность глиняного теста, способность отвердевать при высыхании и переходить в необратимое камневидное состояние при обжиге.

Пластичность глин обеспечивается содержанием в них глинистых частиц пластинчатой формы размером 0,005 мм и менее. Наличие между этими частицами тонких слоев воды за счет действия молекулярных и капиллярных сил обеспечивает связность частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности.

При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается в объеме. Этот процесс называется воздушной усадкой (2-12 % по объему). При этом глина затвердевает, но при добавлении воды вновь переходит в пластичное состояние. При обжиге при температуре около 1000 °С керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства и за счет образования новых минералов приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Одновременно с этим происходит дальнейшее уплотнение и усадка материала, которая называется огневой усадкой (2-8 %). Способность глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин. В зависимости от температуры обжига получают пористый (около 1000 °С) или спекшийся (более 1100 °С) черепок.

Основные виды керамических изделий– этостеновые изделия, облицовочные материалы и изделия, керамические материалы и изделия специального назначения.

Стеновые изделия.В группу стеновых керамических материалов входят кирпич (одинарный, утолщенный, модульных размеров) и камни, изготовляемые способом полусухого прессования или пластического формования, а также крупноразмерные блоки и панели. Кирпич керамический одинарный имеет форму прямоугольного параллелепипеда с ровными гранями, прямыми ребрами и углами размерами 250´120´65 мм; утолщенный – размерами 250´120´88 мм. Кирпич может выпускаться полнотелым (без пустот и с технологическими пустотами в количестве не более 13 %) и пустотелым (с вертикальным или горизонтальным расположением пустот), а камни – только пустотелыми. Плотность кирпича и камней в зависимости от наличия и количества пустот находится в пределах от 1400 до
1900 кг/м³, теплопроводность – от 0,4 до 0,8 Вт/(м × ºС). По этим показателям пустотелые кирпич и камни, а также пористо-пустотелый кирпич (в состав керамической массы вводят выгорающие добавки) относятся к группе эффективных стеновых керамических изделий. Причем эти виды кирпича и камней подразделяют на условно-эффективные, улучшающие теплотехнические свойства стен, и эффективные, позволяющие значительно уменьшить толщину стен.

Марку камней по прочности определяют в зависимости от значений предела прочности при сжатии, а для кирпича – и с учетом предела прочности при изгибе. Марки по прочности полнотелого кирпича, а также пустотелых кирпича и камней с вертикальным расположением пустот – 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250 и 300, а с горизонтально расположенными пустотами – 25, 35, 50, 100. Марки кирпича и камней по морозостойкости – F 15, F 25, F 35, F 50. Водопоглощение не должно быть для полнотелого кирпича менее 8 %, для пустотелых изделий — менее 6 %. Масса кирпича в высушенном состоянии не должна быть более 4,3 кг, камней — не более 16 кг.

Эти изделия применяются для кладки наружных и внутренних стен, кладки фундаментов (из полнотелого кирпича).

Облицовочные материалы и изделия.Различают: фасадные облицовочные изделия – кирпич и камни керамические лицевые (укладывают в стену здания в перевязку с обыкновенными, они отличаются от последних повышенными физико-механическими показателями и улучшенными показателями внешнего вида); керамические изделия для внутренней облицовки – плитки для внутренней облицовки стен (применяют в помещениях санузлов, кухонь, бань, прачечных, станций метро и т.п.); плитки для полов. Величина основного, помимо размеров и внешнего вида, нормируемого показателя для керамических плиток – водопоглощения – имеет значение при выборе материала для облицовки помещений с влажным режимом и плиток для полов. При обычных условиях эксплуатации (внутри помещений) этот параметр не оказывает заметного влияния на потребительские свойства керамической плитки. Совершенно иная ситуация складывается при использовании плитки вне помещения: морозостойкость керамических изделий напрямую зависит от водопоглощения. Считается, что плитка с водопоглощением менее 3 % пригодна для применения на улице (крыльцо, балкон и т.п.) или в неотапливаемых помещениях. Керамические плитки для улучшения внешнего вида и создания дополнительной защиты покрывают глазурью.

Керамический гранит принадлежит к тому же классу отделочных материалов, что и керамическая плитка, но отличается от нее повышенными механическими характеристиками (прочностью, твердостью и износостойкостью), а также текстурой, имитирующей природный камень. Этот комплекс свойств достигается в результате применения смеси глин и минеральных добавок, сходной по составу с фарфоровой массой. Плитки, отформованные из этой смеси под высоким (до 50 МПа) давлением, подвергаются высокотемпературному обжигу (более 1200 °С), что приводит к спеканию массы и обеспечивает получение чрезвычайно твердого и плотного черепка, практически лишенного пор и пустот. Это позволяет обходиться без нанесения на поверхность плитки защитного слоя глазури.

Керамические плитки и керамогранит производятся размеров: от 15´15 до 40´40 и 30´60 см. Толщина облицовочных плиток обычно 5; 6 мм; плиток для полов и керамогранита – 8,5; 12; 15 мм.

Керамические материалы и изделия специального назначения.Выпускают кирпич и камни керамические для кладки и футеровки промышленных дымовых труб и печей; камни трапецеидальной формы для устройства подземных коллекторов; дорожный клинкерный кирпич для мощения улиц и дорог, полов, облицовки набережных и т.п.; глиняную черепицу – старейший вид кровельных материалов; керамические трубы: канализационные (с плотным черепком) и дренажные (с пористым черепком); теплоизоляционные керамические изделия – ячеистая керамика, керамзит; огнеупорные материалы (изготавливают в виде кирпича, блоков, плит из различных сырьевых компонентов по технологии, близкой к керамической).

4.2. Стекло и изделия из минеральных расплавов

4.2.1. Стекло и изделия из стекла

К строительным стеклам относятся материалы и изделия из силикатных расплавов, полученные в результате переохлаждения последних.

Основные сырьевые материалы для получения стекла: кварцевый песок, сода, известняк, сульфат натрия. В производстве стекла используют чистые кварцевые пески с небольшим количеством железа. Из расплава смеси кварцевого песка и соды (сода уменьшает температуру плавления) получают стеклообразное вещество, растворимое в воде (растворимое стекло). Известняк и доломит в составе сырьевой смеси придают стеклу нерастворимость в воде. Кроме того, в сырьевую смесь добавляют осветлители, глушители (для получения непрозрачного стекла).

Свойства строительного стекла. Плотность стекла равна 2,5 г/см³. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие, малой ударной прочностью, имеет относительно невысокую теплопроводность (0,7-0,8 Вт/ м ^. ºС) вследствие аморфной структуры. Важнейшее свойство стекла – светопропускание – находится на уровне 88-90 %. Стекло имеет химическую стойкость к большинству агрессивных веществ за исключением плавиковой и фосфорной кислот и является долговечным материалом.

Основные виды листового стекла. Оконное (обычное) стекло выпускают толщиной от 2 до 6 мм. Сорт стекла зависит от наличия дефектов (волнистость, газовые пузыри и т.д.). Оконное стекло пропускает видимые и инфракрасные лучи и плохо пропускает ультрафиолетовое излучение.

Теплоотражающее и низкоэмиссионное стекло получают путём нанесения на поверхность тонких плёнок металлов или оксидов. С внешней стороны эти стёкла имеют разные цвета (голубой, золотистый). При этом теплоотражающее стекло не пропускает большую часть инфракрасного излучения внутрь помещения, что необходимо для жарких южных районов. Низкоэмиссионное стекло, напротив, отражает тепло внутрь помещения, что позволяет существенно экономить на отоплении (по сравнению с обычным стеклом).

Теплопоглощающее стекло имеет в своем составе добавки кобальта, железа и др. Оно поглощает большую часть инфракрасного излучения, при этом саморазогреваясь, что требует больших зазоров при установке. Имеет синий или зеленоватый оттенок.

Увиолевое стекло получают из шихты с минимальными примесями оксидов железа, хрома. Пропускает больше ультрафиолетовых лучей, чем обычное стекло. Применяют в больницах, санаториях.

Светорассеивающие стёкла: матовые и узорчатые. Матовое стекло получают за счёт пескоструйной обработки обычного листового стекла, а узорчатое – способом проката.

Армированное стекло получают путём армирования сеткой из стальной проволоки. Будучи запрессованной в стекло металлическая сетка служит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его повреждении.

К безопасным стеклам относят закалённое и многослойное стекло. Закалённое или молированное (упрочненное безопасное) стекло получают путём нагрева при температуре около 1500 ºС и быстрого охлаждения, при этом стекло получает в 3-4 раза большую ударную прочность. Нередко молированное стекло делают изогнутым – для придания определенных эстетических качеств. Многослойное или слоистое стекло (триплекс) включает полимерную плёнку, которая предотвращает появление осколков.

Изделия из стекла.Стеклопакет представляет собой единый неразборный блок из двух или нескольких стёкол, соединенных между собой с герметически замкнутыми прослойками, заполненными сухим воздухом или, что лучше, инертным газом для более высоких теплозвукоизолирующих свойств. Внутри конструкции находится адсорбирующий порошок (обычно технический силикагель или гранулированный цеолит), который исключает образование конденсата на внутренних поверхностях стекол. Стеклопакеты, состоящие из двух листов стекла, называются однокамерными, их трех – двухкамерными и т.д. Толщина одно- или двухкамерного стеклопакета составляет 30-50 мм.

Стеклоблоки получают путём сварки двух половинок (как правило, из узорчатого стекла). Для них характерны высокая прочность, теплозащитные свойства, светорассеивание.

Профильное стекло (стеклопрофилит) – это изделия таврового, швеллерного, коробчатого профилей. Применяются для заполнения больших проемов, а также монтажа стен, перегородок, покрытий.

4.2.2. Изделия из минеральных расплавов

Ситаллы– это стеклокристаллические материалы, получаемые из силикатного расплава путем направленной кристаллизации за счет добавок титана, циркония, лития. Последние позволяют получать в структуре ситалла мельчайшие равномерно распределенные кристаллы, соединенные прослойками стекла (5-10 % по объему). Ситаллы представляют собой тонкозернистые материалы с очень высокими физико-механическими свойствами. Один из видов ситалла – шлакоситалл – получают на основе доменных шлаков. Этот материал обладает высокой прочностью (в том числе ударной), диэлектрической непроницаемостью, химической стойкостью, малыми температурными деформациями, износостойкостью. Применяют для фундаментов машин, подоконников, ступеней, облицовочных плит, полов химических производств и труб для агрессивных сред.

Литые каменные изделия изготовляют из расплавов магматических горных пород – базальта, диабаза (темное литье), а также карбонатных горных пород – доломита, известняка, мрамора, кварцевого песка (светлое литье). Изделия обладают высокой плотностью, прочностью, химической стойкостью и, в том числе, кислотостойкостью. Получают плотные каменные изделия (облицовочные плитки для предприятий химической промышленности, мелкоштучные дорожные изделия – брусчатка, бордюрный камень), а также волокнистые материалы (минеральная вата и изделия из нее) и др.