Глава IV. Керамические и стеклянные материалы

§ 12. Общие сведения

Керамическими материалами (керамикой) называют материалы и изделия, получаемые спеканием глиняного сырья с минеральными добавками. Керамика - один из древнейших искусственных материалов. Впервые глиняный кирпич и черепицу начали применять более 5000 лет назад, и поныне кирпич - один из главных строительных материалов. Долговечность, декоративность в сочетании с доступностью сырья и относительной простотой изготовления обусловили широкое распространение керамики.

Современная промышленность строительных материалов выпускает разнообразный ассортимент керамических материалов: стеновые (кирпич, керамические камни), для наружной и внутренней облицовки (керамические плитки, ковровая керамика), кровельные (черепица), санитарно-технические изделия (например, раковины, трубы), специальные (огнеупорные и кислотоупорные). Кроме того, обжигом глиняного сырья получают самый распространенный пористый заполнитель для легких бетонов - керамзит.

Все керамические материалы и изделия по структуре черепка подразделяют на пористые, водопоглощение по массе у которых более 5% (обычно 10...20%), и плотные с водопоглощением менее 5%.

Основным сырьем для получения керамических материалов являются глины - осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов. Глинистые минералы - рыхлая смесь мельчайших частиц (менее 0,005 мм) водных алюмосиликатов различного состава, способных хорошо адсорбировать (поглощать и удерживать) влагу на своей поверхности. Кроме глинистых минералов в глинах содержатся более крупные частицы: пыль размером 0,005...0,15 мм и песок размером 0,15...5 мм.

Глинистые минералы придают глине характерные свойства: при увлажнении глина набухает и делается пластичной; при сушке мокрой глины объем ее уменьшается (происходит усадка) и глина превращается в довольно прочный камневидный материал. Переход глины из пластичного состояния в камневидное обратимый: при повторном увлажнении глина вновь размокает.

Чем больше в глине частиц глинистых минералов, тем она больше способна вобрать в себя воды, больше набухает, но труднее сохнет и дает большую усадку. Такие глины называются "жирными". Глины, содержащие много песчаных частиц, характеризуются небольшой усадкой и набуханием, легко сушатся, но пластичность у них пониженная. Такие глины называются "тощими".

Для получения керамических изделий нужна смесь, которая хорошо формуется и достаточно быстро сохнет. Такую смесь с оптимальным соотношением глинистых и песчаных частиц получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки: песок, опилки и др.

Способность глины при обжиге переходить в камневидное состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объясняется следующим. При обжиге протекают химические и физико-химические процессы (удаление химически связанной воды, разложение безводной глины на оксиды и образование новых водостойких и тугоплавких соединений), приводящие к изменению структуры глины. Частицы обезвоженной и видоизмененной глины спекаются, не переходя при этом полностью в расплавленное состояние. Спекание происходит за счет плавления легкоплавких примесей, этот расплав склеивает, цементирует всю массу.

Различные глины требуют определенных температур обжига и соответственно изделия из них имеют различную огнеупорность. По этому признаку глины делят на легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные.

Легкоплавкие глины, содержащие большое количество примесей, плавятся при температуре ниже 1350°С. Из таких глин, называемых кирпичными, изготовляют кирпич, стеновые камни и черепицу.

Тугоплавкие глины, содержащие незначительное количество примесей, плавятся при температуре 1350...1580°С. Применяют их для изготовления облицовочных керамических изделий, лицевого кирпича, канализационных труб.

Огнеупорные глины, почти не содержащие примесей, плавятся при температуре выше 1580°С. Их применяют для производства огнеупорных материалов.

Технология производства керамических материалов включает в себя добычу и подготовку сырьевых материалов, формование изделий, их сушку и обжиг. Сушка и обжиг - наиболее ответственные операции в технологии керамики. Нарушение режима сушки и обжига приводит к растрескиванию и короблению изделий.