Основные свойства глин как сырья для керамических изделий.

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.

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. 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).

Пластичность и связующая способность глин. Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью. При смачивании сухой глины ощущается характерный запах увлажняемой земли и выделение тепла. Молекулы воды (диполи) втягиваются между чешуйчатыми частицами каолинита и расклинивают их, вызывая набухание глины.

Способность глины отвердевать при высыхании. Особенностью глиняного теста является способность отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуя их разъеданию, вследствие этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина размокает.

Усадка глины. Усадка — это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка глин). Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.

Воздушная усадка происходит в процессе испарения воды из сырца вследствие уменьшения толщины водных оболочек вокруг частиц глины, возникновения в порах сырца менисков и сил капиллярного давления, стремящихся сблизить частицы. В конце сушки возрастает роль осмотических явлений и межмолекулярного притяжения, усиливающих воздушную усадку. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2 — 3 до 10 — 12% в зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхностно-активные вещества (СДБ и др.), введенные в глиняную массу в количестве 0,05 — 0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку. Другой способ снижения чувствительности глин к сушке предусматривает введение в глину 1 — 1,5% битумных и дегтевых веществ или орошение поверхности глиняного бруса, выходящего из ленточного пресса пленкообразующим составом (например, битумной эмульсией).

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может быть 2 — 8% в зависимости от вида глины,

Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется в пределах от 5 до 18%. Соответственно увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие нужных размеров.

Переход при обжиге в камневидное состояние. В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная вода, затем выгорают органические вещества. При температурах 700 — 800°С происходит разложение безводного метакаолинита Al2C·2Si02, который образовался ранее (при 45Q — 600°С) вследствие дегидратации каолинита. Аморфная двуокись кремния и окись алюминия при повышении температуры (900°С и выше) вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит 3Al203·2Si02. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950 — 1000°С. Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой фазы — силикатного расплава, который не только цементирует частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получают изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым вода поглощением (менее 5%). Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, его часто добавляют для отношения высокопластичных глин. Кварц претерпевает полиморфные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями. Наиболее часто встречающийся в природе р-кварц при 573°С обратимо переходит в а-кварц с увеличением объема на 0,82%; эта форма устойчива до 1050°С, Поэтому при охлаждении керамических изделий, обожженных до 1000°С, а-кварц снова переходит в р-кварц с соответствующим уменьшением в объеме. При температуре выше 1050°С а-кварц переходит в а-кристобалит, который в свою очередь в интервале температур 1400 — 1450°С переходит в а-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц плавится при 1723°С. Изменения объема зерен кварца, происходящие в процессе обжига, влияют на прочность и растрескивание керамического изделия.

Спекаемость глины. Спекаемость глин представляет собой способность глины при обжиге образовывать камнеподобное твердое тело (черепок), обладающее высокой химической устойчивостью и механической прочностью.
Определяют степень спекания, состав глинистой массы и температурный режим обжига. Последний у разных глин варьирует от 450 до 1400 °С. Индикатором степени спекания является температура обжига в 1350 °С.
Если в результате получается черепок с вода поглощением не более 2%, его относят к сильно спекающимся, не более 5% - к средне спекающимся, с вода поглощением более 5% - к неспекающимся. Качество спекаемости определяет способность сосудов из тех или иных глин удерживать воду.
Цвет. Цвет глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий (лицевые кирпич и керамические камни, терракотовая плитка), а также для тонкой керамики. Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных СО и Н2 в газах) и при определенных температурах, чтобы окись железа перевести в закись. Не желательны в глине крупные зерна пирита (FeS2) и окислов железа, образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободной окиси железа при нагревании между 450 и 800°С придает изделию красноватое или желтоватое окрашивание. Окислы титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка.

3.2. Технологические принципы производства, структура и основные свойства керамических изделий.

1. Обработка глиняной массы. Производство керамических изделий включает следующие этапы: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.