Керамическая плитка, керамические трубы - разновидности , свойства, производство

1. Общие сведения

Керамическими называют искусственные  каменные материалы, изготовляемые  из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких  температурах.

Материал, из которого состоят  керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком.

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%): кирпич сплошной, пустотелый и легкий, керамические камни, черепица, облицовочные плитки, дренажные трубы и т.п. Спекшимся считают черепок с водопоглощением меньше 5 % (чаще 2...4 %), как правило, он практически водонепроницаем. К плотным изделиям относят дорожный кирпич, плитки для полов, фарфоровые изделия.

Распространенность глин в природе, а также большая  прочность, значительная долговечность, красивый внешний вид многих видов  керамики позволили применять керамические материалы почти во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

По конструктивному назначению различают керамические изделия: для  стен (кирпич и керамические камни); облицовки фасадов (лицевой кирпич и камни, плитки); внутренней облицовки  стен и полов (плитки); перекрытий (пустотелые камни); кровли (черепица); санитарно-техническое  оборудование (изделия из строительного  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, а также заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).

2. Классификация керамических материалов

Большой ассортимент керамических изделий, выпускаемых промышленностью для  использования в строительстве, можно классифицировать на следующие  группы в зависимости от их назначения: стеновые, облицовочные, кровельные, для  полов, дорожные, теплоизоляционные, огнеупорные, кислотоупорные и санитарно-технические.

Облицовочные изделия

Керамические  изделия, применяемые для облицовки  зданий, делятся на две группы –  для облицовки фасадов зданий и для внутренней облицовки помещений.

В настоящее время основными видами облицовочных керамических материалов для фасадов зданий являются лицевые  кирпич, камни, плиты и плитки. Кирпич и камни делают сплошными и  пустотелыми. Плиты в зависимости  от конструкции, способов изготовления и крепления подразделяют на закладные, устанавливаемые одновременно с  кладкой стен, и прислонные, устанавливаемые на растворе после возведения и осадки стен. Фасадные плиты изготовляют различной формы: плоские – для облицовки плоскости стен, угловые – для облицовки наружных углов, откосов и проемов и перемычные – для облицовки перемычек над оконными и дверными проемами. Плитки фасадные малогабаритные выпускают с наружной гладкой и фактурной поверхностью, а на тыльной стороне делают углубления для лучшего сцепления с цементным раствором. Для ускорения отделочных работ тонкие фасадные плитки наклеивают на бумажную основу в виде ковров с различным рисунком. Такие плитки носят название ковровой керамики.

Керамические  материалы для внутренней облицовки  помещений не подвергаются действию отрицательных температур и резких перемен погоды, поэтому они не должны отвечать всем требованиям, предъявляемым  к материалам для внешней облицовки  зданий. Однако точность размеров, правильность формы и одинаковая окраска приобретают особо важное значение. Вследствие этого для материалов внутренней облицовки поставлены более жесткие требования по внешнему виду, чем к материалам для наружных работ.

Керамическими плитками для полов настилают  полы в вестибюлях общественных зданий, банях, прачечных, санитарных узлах, лечебных помещениях и на предприятиях химической промышленности. Эти плитки практически  водонепроницаемы, т. е. надежно защищают несущие конструкции перекрытий от увлажнения, стойко сопротивляются истирающим воздействиям, не дают пыли, легко моются, не впитывают жидкостей  и хорошо противостоят действию кислот и щелочей.

Санитарно-технические изделия  и канализационные трубы

Различают три группы санитарно-технических  изделий: из твердого фаянса, отличающиеся пористым черепком, из санитарного  фарфора, обладающие спекшимся черепком, и из полуфарфора, имеющие полуспекшийся черепок.

Санитарно-технические  изделия должны обладать высокой  механической прочностью и теплостойкостью. Для их изготовления необходимо высококачественное сырье, строгое соответствие массы  установленной рецептуре и точное соблюдение технологического режима производства.

К санитарно-техническим изделиям относится  оборудование санитарных узлов и  кухонь жилых, общественных и промышленных зданий. Ассортимент изделий этой группы весьма разнообразен – ванны, умывальники, унитазы, радиаторы и др. Изделия должны иметь правильную форму, без прогибов, искривлений и трещин, равномерный покров блестящей глазури (белой или цветной), устойчивой против образования мелких трещин (цека); при простукивании изделия должны издавать чистый (не дребезжащий) звук, указывающий на обжиг их до соответствующей температуры и отсутствие трещин.

Канализационные трубы, изготовляемые диаметром  от 150 до 600 м,м, имеют плотный спекшийся черепок. Они покрываются глазурью изнутри и снаружи и отличаются большой устойчивостью к действию агрессивных вод и блуждающих электрических токов. Изготовляемые на основе местных материалов, они имеют невысокую стоимость сравнительно с трубами других видов.

Прочие керамические изделия 

Здесь следует сказать о глиняной черепице, представляющей собой спекшееся  изделие в виде прямоугольных  плиток или желобов и широко (особенно на юге и западе страны) используемой как кровельный материал. Выпускается  черепица четырех видов: штампованная пазовая и ленточная, плоская  ленточная и коньковая.

В качестве теплоизоляционных материалов известны диатомовые (трепельные), пенотрепельные изделия и керамзитовый гравий. Из специальных керамических изделий, находящих применение при строительстве и оборудовании химических и других заводов, применяются огнеупорные и кислотоупорные изделия. Следует упомянуть и различные виды специального кирпича — дорожный повышенной прочности, получаемый обжигом глины до полного спекания, но без остеклования поверхности; лекальный, огнеупорный, футеровочный, кислотоупорный и др.

Кирпичи и камни керамические специального назначения.

Для кладки и футеровки промышленных дымовых труб выпускают лекальный  кирпич, отличающийся от обычного кривизной.

Для устройства подземных коллекторов  выпускают камни трапецеидальной  формы, а для мощения дорог  и улиц, полов промышленных зданий, облицовки набережных и т.п. —  дорожный кирпич (клинкерный). Эти изделия  отличаются высокой плотностью, прочностью до 100 МПа и морозостойкостью не менее 30... 100 циклов.

3. Основные  физико-химические свойства керамических материалов

Керамические  изделия делят на две группы —  пористые и плотные. Первые характеризуются  водопоглощением 5% и более, вторые — менее 5%. К пористым изделиям относят кирпич глиняный обыкновенный, пористый и пустотелый, пустотные стеновые камни, черепицу кровельную, облицовочные плитки и трубы; к плотным изделиям — плитки для полов и дорожный кирпич. Санитарно-техническая керамика включает как пористые (фаянс), так и плотные (санитарный фарфор) изделия.

Высокая прочность, долговечность и большой  ассортимент изделий дают возможность  широко использовать их при строительстве  во всех частях зданий — от фундамента до кровли, в результате чего требования к керамической промышленности со стороны  народного хозяйства страны непрерывно возрастают. Керамические изделия, обладая  рядом положительных качеств, имеют  один существенный недостаток— повышенную по сравнению с другими строительными материалами хрупкость.

После обжига керамические изделия сразу  получают требуемую поверхность как по цвету, так и по фактуре, которую можно сделать матовой (ангобированные изделия) или блестящей стекловидной (глазурованные изделия). Цветные керамические изделия можно получить добавлением в беложгущуюся глиняную массу окислов различных металлов, например железа, кобальта и др. При изготовлении облегченных керамических изделий с повышенной пористостью в сырую массу вводят порообразующие добавки (вещества, выделяющие при обжиге газ — углекислоту), а также вещества, выгорающие при обжиге.

4. Микроструктура  керамики

При нагревании керамическая масса постепенно переходит в жидкое состояние. Керамический расплав состоит из большого количества простых и сложных соединений.

При охлаждении керамического расплава наиболее характерным процессом  является кристаллизация, которая проявляется  в выпадении первых сравнительно чистых от примесей кристаллов и их последующем росте.

В результате отвердевания расплава образуется микроконгломерат, в котором кристаллические  зерна муллита, кремнезема разных модификаций, других видов веществ, кристаллизующихся  при остывании (в основном алюмосиликатов), сцементированы аморфной массой отвердевшего расплава. Поскольку на более ранней технологической стадии расплав  был или мог быть объединен  с огнеупорным заполнителем, образовавшийся микроконгломерат — вяжущее вещество — окаймляет отдельные зерна  заполнителя и размещается в  межзерновых пустотах.

Сформировавшиеся  микроструктуры керамического вяжущего вещества, подобно вяжущему безобжиговых конгломератов, представлены стекломассой и кристаллическими фазами, которые цементируют остальную массу частиц изделия. При обжиге под вакуумом электротехнического фарфора была установлена изотропная кайма толщиной 0,5—1 мкм, окружавшая все зерна кварца. Кристаллическая фаза представлена муллитом и другими новообразованиями, а также свободными кремнеземом в различных его аллотропических видоизменениях, некоторыми оксидами в кристаллическом состоянии, не вступившими в химическое взаимодействие во время термической обработки сырья. Стекловатая, аморфная фаза (переохлажденная жидкость) вяжущей части представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава. Если микроструктуру керамики рассматривать на атомно-молекулярном уровне, то ее можно охарактеризовать как комбинацию атомов металла с атомами неметалла, чаще всего с кислородом. Как отмечает Д. Гальман, относительно большие атомы кислорода образуют матрицу, в которой маленькие атомы металлов (А1, Mg, Si и др.) помещаются в промежутках между ними, причем в кристаллах керамики превалируют ионные и в несколько меньшей мере — ковалентные связи. Эти прочные связи предопределяют прочность и стабильность, химическую стойкость и долговечность керамических материалов, что обусловлено, в частности, их высокоокисленным составом, т. е. большим содержанием кислорода.

Микроструктура  керамики далека от совершенства, так  как в кристаллических решетках имеются дефекты в виде вакансий или пор атомного размера, дефекты  по границам контакта между кристаллами, деформации и поры, поэтому прочность  керамики значительно уступает прочности  идеальных кристаллов. Однако в целом  керамика обладает комплексом высоких  качественных показателей, который  согласуется с определенным фазовым  соотношением стекла и кристаллов, особенно при оптимальной структуре.

5. Сырьевые  материалы, применяемые в технологии керамики: глины и глинистые породы, полевые шпаты, каолин, отощающие добавки и плавни

Сырьевую  массу для изготовления керамических изделий обычно составляют из пластичных материалов (глины, каолины) и непластичных материалов (отощающих и выгорающих добавок/плавней). Глины и каолины объединяют общим названием — глинистые материалы. В производстве некоторых искусственных обжиговых материалов используют диатомиты, трепелы, а также шлаки, золы, сланцы в чистом виде или с добавкой глин, порообразующих и других добавок.

Глинистые материалы и их керамические свойства. Глины представляют собой осадочные  горные породы тонкоземлистого' строения, которые независимо от их минерального и химического состава способны при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, переходящее после  обжига в водостойкое и прочное  камневидное тело. Образовавшись  в результате выветривания главным  образом полевошпатовых пород, глины  состоят из плотной смеси различных  глинистых минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенными из них являются каолинитовые, монтмориллонитовые, бейделлит и гидрослюдистые (в основном продукты разной степени гидратации слюд).

Наряду  с глинообразующими минералами в глинах встречаются: кварцы, полевой шпат, серный колчедан, гидроксиды железа, карбонаты кальция и магния, соединения титана, ванадия, органические примеси. Перечисленные примеси влияют как на технологию керамических изделий, так и на их свойства. Например, тонко распределенный углекислый кальций и оксиды железа понижают огнеупорность глин. Если в.глине имеются крупные зерна углекислого кальция, то при обжиге из них образуются включения извести, которые гидратируют с увеличением объема («дутики»), что вызывает образование трещин или разрушение изделий.

Наиболее  чистые глины, состоящие преимущественно  из каолинита, называют каолинами; после  обжига они сохраняют белый цвет.

Бентонитами называют высокодисперсные породы с  преобладающим содержанием монтмориллонита.

В состав глин входят различные по крупности  зерна, но характерные для глин высокие  пластичность и связующая способность  обусловлены наличием в них очень  мелких частиц пластинчатой формы, размер которых не превышает 0,005 мм. Эти  частицы называют глинистым веществом. Малая величина частиц и, следовательно, большая суммарная поверхность, а также их пластинчатая форма обеспечивают сцепление частиц и позволяют им сдвигаться относительно друг друга без потери сцепления. Чем больше в глине содержится глинистого вещества, тем она пластичнее. В большинстве глин имеются и более крупные частицы, не обладающие свойством пластичности. При величине зерен 0,005...0,05 мм их относят к пыли, а при размерах 0,05... 2 мм — к песку.