22.09.20р. група 22-тд, 22-тф. 

Урок 21-22. Тема: Керамічні будівельні матеріали та вироби
План

1.     Загальні відомості

2.     Сировина для виробництва керамічних матеріалів

3.     Технологія виробництва керамічних матеріалів

      4. Керамічні матеріалі й вироби

 

1. Загальні відомості
Кераміка (грец. keramos – глина) – це штучні кам'яні матеріали й вироби, отримані в результаті технологічної обробки і наступного випалу глинистої сировини.
Людина почала використовувати глину на самій зорі свого існування. Найдавніші зображення тварин і людей, виявлені археологами, виліплені в древньому неоліті за 27 тисяч років до н.е. Спочатку керамічні вироби ліпили руками. Поступово навчилися обпалювати їх, щоб глина стала міцнішою, перестала пропускати воду. Найважливіше місце в історії розвитку кераміки займають Китай і Греція, оскільки в цих країнах мистецтво кераміки досягло найбільшого розквіту, чому сприяли багаті родовища глини й природних барвників. Саме в Китаї, у другій половині II – I тисячоріччя була винайдена порцеляна – керамічна маса з високоякісної глини – каоліну.
У країнах Близького Сходу кераміка вперше набула широкого застосування в будівництві й оформленні будинків. З обпаленої глини робили мозаїку, яскраві кахлі, архітектурні деталі. У Росії перший цегельний завод був побудований у Москві в 1475 році. Наприкінці XVIII ст. розвиток металургійної, хімічної і електротехнічної промисловості сприяв збільшенню виробництва вогнетривкої, кислототривкої, електроізоляційної кераміки й плиток для підлог.
У цей час до поняття керамічні матеріали й вироби входить широке коло матеріалів з різними властивостями, які класифікуються за різними ознаками.
За призначенням керамічні вироби підрозділяють на наступні види:
стінові, оздоблювальні, покрівельні, дорожні, санітарно-технічні, кислототривкі, теплоізоляційні, вогнетривкі.
За структурою будови розрізняють керамічні вироби з пористим (водопоглинення за масою більше 5 %) і щільним (водопоглинення за масою менше 5%) черепком.
За температурою плавлення кераміку підрозділяють на:

·        Легкоплавку (Т_пл нижче 1350 ^оС);

·        тугоплавку (Т_пл – 1350 ⁰С – 1580 ⁰С);

·        вогнетривку (1580 ⁰С –2000 ⁰С);

·        вищої вогнетривкістю (більше 2000 ⁰С).

За видом оздоблення поверхні керамічні вироби бувають глазуровані й неглазуровані, одноколірні або з малюнком, гладкі або рельєфні.
За способом формування розрізняють керамічні вироби, отримані шляхом пластичного формування, напівсухого пресування і шлікерним литтям.

2. Сировина для виробництва керамічних матеріалів
Основною сировиною для виробництва кераміки є глини й каоліни. Для поліпшення технологічних властивостей глини, а також надання готовим виробам певних фізико-механічних властивостей використовують непластичну сировину (плавні, спіснювальні, поротвірні та пластифікуючі добавки).
Глиниста сировина є продуктом механічного руйнування вивержених польовошпатових гірських порід, що містить частки глини, кварцу, слюди та інших мінералів, що не розклалися. Глинисті частки мають пластинчасту форму, тому при змішуванні з водою утворюється легко формована пластична маса. Придатність глинистої сировини для виробництва того чи іншого виду кераміки з технологічної точки зору оцінюється його властивостями: пластичністю, повітряною і вогневою усадкою, вогнетривкістю, вологоємністю, набряканням, розмоканням, тиксотропним зміцненням. Вказані технологічні характеристики значною мірою пов'язані з хімічним і речовинним складом сировини.
Хімічний склад глин включає глинозем Аl₂О₃, кремнезем SiО_2, оксид заліза Fe₂О₃, оксид кальцію СаО, оксиди натрію, магнію і калію. Зі збільшенням вмісту Аl₂О₃ підвищується пластичність і вогнетривкість глин, а з підвищенням вмісту SiО₂ пластичність глини знижується, збільшується пористість, знижується міцність виробів.
Речовинний склад включає глинисту речовину, добавки й домішки.
Чим більше в глинистій сировині глинистих часток, тим вище пластичність і повітряна усадка глин. Залежно від цього глини підрозділяють на:
- високопластичні – вміст глинистих часток 80 – 90%;
- помірнопластичні – 30 – 60%;
- малопластичні – 5 – 30%;
З метою надання необхідних властивостей як глинам, так і виробам з них до складу глиняної сировини вводять добавки.
Спіснювальні добавки вводять у пластичні глини, щоб знизити пластичність і зменшити повітряну та вогневу усадку за рахунок меншої водопотреби формувальної суміші, а також для запобігання деформаціям і тріщинам у виробах. До них відносять: шамот, золи, кварцовий пісок, гранульований шлак.
Поротвірні добавки вводять у сировинну суміш для отримання легких керамічних матеріалів з підвищеною пористістю. До них відносяться: магнезит, крейда, доломит, які під час випалювання виділяють СО_{2 ,} а також вигораючі добавки –деревні обпилювання, вугільний порошок, торфяний пил.
Плавні сприяють зниженню температури випалу виробів і підвищують щільність матеріалу. Функції плавнів виконують польові шпати, залізна руда, доломіт, магнезит, тальк тощо.
Пластифікуючі добавки сприяють підвищенню пластичності маси й поліпшенню її здатності до формування при отриманні виробів. До них належать високопластичні глини, бентоніти, а також поверхнево-активні речовини типу лінгосульфонафту.
Отримання черепка потрібного кольору й структури здійснюється різними методами, в тому числі: покриттям готових виробів ангобами, глазурами, емалями, керамічними фарбами.
Ангоб виготовляють з білої або кольорової глини і наносять на поверхню невипаленого керамічного виробу тонким шаром (0,2...0,3 мм) у вигляді водної суспензії. При випалюванні ангоб не розплавляється і надає виробу матову поверхню.
Глазур (полива) – це склоподібне покриття (0,1...0,2 мм),яке наносять на поверхню керамічного виробу і закріплюють випалюванням. Глазур знижує водопроникність, підвищує міцність та атмосферостійкість керамічних виробів.
Склади глазурі можуть бути різноманітними, але в усіх випадках вони містять не менше 85...90% кремнезему та оксиду алюмінію.

3. Технологія виробництва керамічних матеріалів
Технологія виготовлення керамічних виробів, незважаючи на різноманітність асортименту, що випускається за властивостями, формами і призначенням є загальною й включає наступні технологічні етапи: добування сировинних матеріалів, підготовка керамічної маси (шихти), формування виробів (сирцю), сушіння, випалювання.
Підготовка глин і формування залежно від виду виготовленої продукції, виду й властивостей сировини здійснюється такими способами:
- пластичне формування застосовують тоді, коли глиниста сировина – волога, пухка, добре розмокає у воді. Для цього використовують легкоплавкі середньо- та помірнопластичні глини, що містять 40...50 % піску. Формування виробів при вологості 18 – 28% здійснюється на стрічкових пресах, які бувають вакуумними й безвакуумними;
- напівсухий спосіб виробництва припускає формування керамічних виробів із шихти вологістю 8 – 12% при тиску 15 – 40 МПа. Зазначений спосіб має ряд переваг: вироби мають більш правильну форму й точні розміри, до 30 % скорочуються витрати палива, допускається використання малопластичних глин з більшим вмістом відходів промислового виробництва. Пресування виробів виконують у пресформах на гідравлічних пресах. Напівсухий спосіб пресування використовується для виготовлення усіх видів виробів;
- сухий спосіб є різновидом напівсухого виробництва керамічних матеріалів. Прес-порошок при цьому способі має вологість 2 – 6 %. Усувається операція сушіння відформованого виробу. Цим способом виготовляють щільні керамічні вироби – плитки для підлог, дорожня цегла;

·        шлікерний спосіб застосовується для виготовлення керамічних виробів складної конфігурації. Виливок виробів виконують з маси вмістом води 40%. Цим способом виготовляють санітарно-технічні вироби, лицювальну плитку.

Сушіння виробів. Перед випалом вироби висушують до вмісту вологи 5 – 6 % у тунельних і камерних сушарках протягом 72-х годин, температура теплоносія 120 – 150 ⁰С. Вказана технологічна операція необхідна, щоб уникнути нерівномірної усадки, скривлень і розтріскування виробів при випалі.
Випалювання виробів – найбільш важлива й завершальна стадія виготовлення керамічних виробів. У процесі випалу під дією температури в сировинної суміші відбуваються складні фізико-хімічні перетворення. Так, при нагріванні сирцю до 120 ⁰С видаляється фізично зв'язана вода й керамічна маса стає непластичною. У більш високій температурній зоні – від 450 ⁰С до 600 ⁰С відбувається виділення хімічно зв'язаної води, глинисті мінерали розкладаються на окремі оксиди. При подальшому збільшенні температури вигорають органічні домішки й керамічна маса втрачає свою пластичність. Формування міцності майбутнього черепка починається при 800 ⁰С завдяки протіканню твердофазових реакцій. У процесі нагрівання від 1000 ⁰С до 1200 ⁰С відбувається вогнева усадка виробу й спікання (залежно від виду глини усадка становить 2 % – 8 %.). Інтервал температур випалу лежить у межах: від   

900 ⁰С до 1100 ⁰С для цегли, каменю, керамзиту; від 1100 ⁰С до 1300 ⁰С для клінкерної цегли, плиток для підлог; від 1300 ⁰С до1800 ⁰С для вогнетривкої кераміки.

 4. Керамічні матеріалі й вироби
1. Стінові керамічні матеріали

Керамічні цегли й камені виготовляють із легкоплавких глин з добавками й без, застосовують для кладки зовнішніх і внутрішніх стін, для виготовлення стінових панелей і блоків. Цегла має такі розміри: одинарна – 250x125 мм; потовщена – 250x120х88 мм; модульна – 288x138x63 мм, модульна потовщена – 288x138x88 мм. Камені виготовляють таких розмірів: 250x120x138 мм (звичайний); 288x138x138 мм (модульний); 288x288x88 мм (модульний укрупнений); 250x250x120 мм (укрупнений з горизонтальним розташуванням порожнин).
Цегли і камені можуть бути пустотілими (рис. 3.1).


Рис. 3.1 – Цегла й камені керамічні:
а – цегла з 18-ма пустотами (порожність 27 і 36 %); б – цегла з 28-ма пустотами (порожнистість 32 і 42 %); в – камінь із 7-ма пустотами (порожнистість 25 і 33 %); г – з 18-ма пустотами (порожнистість 27 і 36 %) ;
д – укрупнений камінь для кладки стіни в «один камінь» (порожність 45 %).
За щільністю в сухому стані цегла й камені підрозділяють на три групи:
- звичайні – з щільністю більше 1600 кг/м³;
- умовноефективні – із щільністю більше 1400 –  1600 кг/м³;
- ефективні – з щільністю не більше 1400 – 1450 кг/м³.
Застосування ефективних стінових керамічних матеріалів дозволяє зменшити товщину зовнішніх стін, знизити матеріалоємність конструкцій до 40 % скоротити транспортні витрати й навантаження на основу.
Керамічну цеглу, залежно від межі міцності при стиску й згину, а камені – тільки при стиску, поділяють на такі марки: М75; М100; М125; М150; М175 ; М200; М250; М300.
За морозостійкістю керамічну цеглу і камені поділяють на марки: F15; F25; F35; F50.

2. Вироби для облицювання фасадів
Цегла й камені лицьові є оздоблювальними й конструктивними несучими елементами, що працюють у цегельній кладці разом зі звичайною цеглою. Лицьова цегла і камені призначені для мурування і одночасного облицювання зовнішніх стін будівель і споруд, тому мають дві лицьові поверхні. Лицьові цегли й камені випускають тих же розмірів і форм, що й звичайні. Залежно від меж міцності при стиску й вигині поділяють на наступні марки: М75; М100; М125; М150. Через підвищену щільність морозостійкість лицьової цегли становить від 25 до 30 циклів. Регулювання складу сировини й режиму випалу дозволяє випускати вироби від кремового до коричневого кольорів. Достоїнством лицьової цегли є підвищена атмосферостійкість, однорідність фарбування і чіткість граней. Залежно від форми й призначення їх ділять на рядові (гладка частина стіни) й профільні (карнизи, тяги, поясу).
Для офактурення поверхні лицьових цегл і каменів використовують ангобірування, глазурування і торкретування кольоровою крихтою. Облицювання стін будівель із керамічної цегли і каменів лицьовими виробами – найефективніший вид оздоблення, оскільки воно виконується одночасно з рядовою кладкою, а лицьові вироби, крім декоративних функцій, виконують і конструктивні функції стіни.
Керамічні фасадні плитки («плинк») виготовляють квадратної або прямокутної форми довжиною з різними координаційними розмірами (від 50x50 до 300x150 мм, завтовшки 7 і 9 мм.). Випускаються із глазурованою і неглазурованою, гладкою та рельєфною, одно- або багатокольоровою поверхнею. Застосовують для облицювання фасадів і цоколів, підземних переходів.
3. Плитки для внутрішнього облицювання
Керамічні плитки для внутрішнього облицювання використовуються для облицювання стін і для покриттів підлог. Ці вироби експлуатуються усередині приміщення, тому вимоги за морозостійкістю до них не пред’являються. Стіни, облицьовані керамічною плиткою, стійкі до вологого й агресивного середовища, відповідають естетичним і санітарно-гігієнічним вимогам.
Для облицювання стін застосовують майолікові (одержувані із сировинної суміші каоліну, польового шпату, кварцового піску) і фаянсові (одержувані з вогнетривких глин, додаючи кварцовий пісок і плавні з наступним глазуруванням) плитки. В основі класифікації плиток лежить характер поверхні (плоскі, рельєфно-орнаментовані, фактурні), вид типу глазурі (прозорі, блискучі, матові, одноколірні, багатокольорові), форма й призначення (квадратна, прямокутна, фасонна кутова й карнизна, фасонна плінтусна й т.д.) Водопоглинання плиток для внутрішньої обробки – до 16 %, межа міцності при вигині – 12 Мпа. Основні розміри плиток відповідно до європейського стандарту: 100x100, 108x108; 150x150; 150x75; 152x76; 200x15; 200x35; 200x50; 200x75; 200x150; 200x200; 250x200; 300x50; 300x100; 300x200; 300x300.
Для покриттів підлог застосовують метлахські (ДСТУ Б В. 2.7 – 117-2002) плитки, які володіють підвищеною щільністю і високим опором стираючим навантаженням. Підлоги з керамічних плиток водонепроникні, легко миються, довговічні, кислото- і лугостійкі. До недоліків слід віднести низький опір ударним навантаженням і високу трудомісткість настилу. Для влаштування підлог застосовують квадратні (від 150x150мм до 500x500мм), прямокутні (від 200x150мм до 500x300мм), багатогранні й фігурні (чотирьох-, п'яти-, шести- і восьмигранні) плитки.
Плитки керамічні мозаїчні для підлог виготовляють квадратними зі стороною 23 і 48 мм, завтовшки 6 і 8 мм. На заводі плитки лицьовим боком наклеюють на крафт – папір або картон з певним рисунком, одержуючи килими розміром 398 x48 мм.
Великорозмірні плитки типу «керамограніт» використовують для влаштування підлог у виробничих цехах, магазинах, ресторанах, виставкових залах, лабораторіях. Виготовляють зі щільним черепком (водопоглинання менше 1 %) розмірами до 1000x1000 мм, завтовшки 6 – 10 мм. Керамічний граніт випускають з глинистої сировини з добавкою мінеральних пігментів. Плитки формують на пресі під тиском близько 50 МПа, а потім випалюють при Т = 1250⁰С. Отримані вироби не поступаються природному граніту за показниками міцності, зносостійкості, морозостійкості й привертають увагу будівельників, архітекторів та дизайнерів.
4. Керамічні вироби для покрівлі й перекриттів
Керамічна черепиця (ДСТУ Б В. 2.7 -28 -95) є найпоширенішим керамічним матеріалом для покрівлі як в Україні, так і в західноєвропейських країнах завдяки своїй екологічній чистоті й довговічності (до 300 років), вогнестійкості, стійкості до атмосферних впливів. Черепицю виробляють з легкоплавких глин широкої колірної гами (від блакитного до чорного) Морозостійкість черепиці повинна бути не менше 25 циклів.
До недоліків відносять: крихкість, трудомісткість монтажних робіт, велику вагу 1 м² (40 – 80 кг). Застосовують керамічну черепицю на крутих покрівлях з ухилом не менше 30 ^оС^. Різновиди керамічної черепиці представлені на рис. 3.1.
                                                                        в

Рис. 3.1 – Види глиняної черепиці: а — штампувальна пазова;
б — стрічкова пазова; в — конькова

5. Санітарно-технічна кераміка й керамічні вироби спеціального призначення
Вироби санітарні керамічні – раковини, умивальники, унітази, зливальні бачки і т. п. Ці вироби виготовляють з фарфору й фаянсу. Сировиною є біловипалювальні глини, каоліни, кварц і польовий шпат, у різних співвідношеннях табл. 3.1.
Таблиця 3.1 – Склад сировини для виробів санітарно-технічної кераміки

Складові	Вміст , % за масою
	У фаянсі	У напівфаянсі	У санітарно-технічному фарфорі
Біловипалювальні вогнетривкі глини й каоліни Кварц Польовий шпат	55..60. 40...50 5...10	48...50 40...45 7..12	45..50 30...35 18...22

Основні технічні характеристики санітарно-технічної кераміки наведені в табл. 3.2. Вони показують, що вироби з фаянсу мають пористість, а з фарфору – щільний, сильно спіклий черепок. Середня щільність напівфарфору є проміжною за значенням між фаянсом і фарфором.

Таблиця 3.2 – Фізико-механічні властивості санітарно-технічної кераміки

Властивості	Фарфор	Напівфарфор	Фаянс
Водопоглинання, %	0,2 – 0,5	3-5	10 – 12
Щільність, кг/м3	2250 – 2300	2000 – 2200	1900 – 1960
Межа міцності при стиску, МПа	400 – 500	150 – 200	100
Межа міцності при вигині, МПа	70 – 80	38 – 43	15 – 30

До групи санітарно-технічних керамічних виробів відносять дренажні й каналізаційні труби. Дренажні труби застосовують у меліоративному будівництві, для безнапірних мереж каналізації, що транспортують промислові, побутові, дощові, агресивні й неагресивні води.

До спеціальних видів кераміки належить цегла для димарів, клінкерна дорожна цегла, кислототривкі вироби.
Контрольні запитання

1.     Які матеріали мають назву « кераміка»?

2.     Які сировинні матеріали використовують для отримання кераміки?

3.     Які види, властивості й засоби виробництва керамічної цегли вам відомі?

4.     Наведіть класифікацію керамічних матеріалів за призначенням, структурою черепка та видом поверхні.

5.     Наведіть характеристики стінових керамічних виробів.

6.     Наведіть характеристики керамічних виробив для облицювання фасадів та внутрішнього облицювання.

7.     Які сировинні матеріали використовують для отримання санітарно-технічної кераміки?