Файл: Т.В. Хмеленко Строительные материалы и изделия.pdf

16

38.Образец пемзы характеризуется следующими показателями: истинная плотность – 2,5 г/см3, водопоглощение по объему – 32 %, водопоглощение по массе – 80 %. Установить в этом образце открытую и закрытую пористости.

39.Образец строительного раствора с размерами 70×70×70 мм и массой 0,67 кг характеризуется истинной плотностью 2,6 г/см3, водопоглощением по массе – 5,13 %. Определить закрытую пористость этого образца.

40.Керамический полнотелый кирпич с размерами 250×120×65 мм

характеризуется в воздушно-сухом состоянии средней плотностью 1795 кг/м3 и влажностью по массе 5,4 %. Какова будет влажность этого кирпича в водонасыщенном состоянии, если известно, что масса его при этом составит 3,685 кг?

41.Определить для зерна керамзита водопоглощение по массе и

суммарную пористость, если известно, что истинная плотность керамзита составляет 2,63 г/см3, водопоглощение по массе 22 % и коэффициент плотности – 0,4.

42. Зерно керамзита характеризуется истинной плотностью 2,61 г/см3, открытой пористостью – 55,4 %, водопоглощением по объему – 11,4 % и водопоглощением по массе – 52,85. Определить для этого зерна керамзита пористость закрытую, недоступную для свободного проникания воды.

43. Керамический полнотелый кирпич с размером 250×120×65 мм характеризуется водопоглощением по массе и по объему соответственно 12,0 и 21,6 %. Определить истинную плотность кирпича, если коэффициент плотности его равен 0,68.

2.2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамическими материалами называются материалы и изделия, полученные в результате обжига глины.

2.2.1. Сырье для производства керамических материалов

Сырьем для производства керамических материалов служат глинистые горные породы: каолинит, монтмориллонит, слюда, гидрослюда и другие. В состав глин входят оксиды алюминия, кремнезема, железа, кальция, натрия, калия, магния, свободная и химически связанная вода, а также органические примеси. Наиболее часто в производстве керами-

17

ки используют каолинит, состоящий из водного алюмосиликата Al2O3 2SiO22H2O. В глинах, кроме алюмосиликатов, могут быть примеси, которые изменяют свойства сырья и получаемых материалов. Примеси оксида железа снижают температуру спекания глин и окрашивают их в бурый цвет; оксид кальция и гипс понижают огнеупорность, увеличивают усадку, снижают прочность; присутствие щелочей ухудшают формовочные свойства, снижают огнеупорность, на изделиях появляются высолы; органические примеси увеличивают пористость черепка.

Глина характеризуется определенным комплексом свойств: гранулометрическим составом, пластичностью, воздушной усадкой, огнеупорностью и др.

Гранулометрические составы глин различных типов резко различаются. К истинно глинистым частицам можно отнести частицы с размером менее 0,005 мм. Чем больше истинно глинистых частиц в сырье, тем выше пластичность и огнеупорность глин. Частицы размером от 0,005 до 0,14 мм относятся к пылеватым, а более грубые частицы классифицируют как включения в глинистое сырье.

Важным свойством глин является их пластичность. Под пластичностью глин понимают их способность давать при затворении водой тесто, которое может принимать под влиянием внешних усилий любую форму и сохранять ее. Пластичность глин определяется числом пластичности (П), которое представляет собой разность между абсолютными влажностями глин, соответствующими ее нижней границе текучести, и пределом раскатывания глины в жгут. Глинистые минералы разделяют на высокопластичные (П более 25 %), среднепластичные (П от 15 до 25 %), умеренно-пластичные (П от 7 до 15 %), малопластичные (П менее 7 %) и непластичные (не дающие пластичного теста). На пластичность оказывают влияние гранулометрический состав и наличие примесей. Чем выше дисперсность глин и меньше различных включений, тем выше их пластичность. Повысить пластичность глин можно механическим разминанием и введением поверхностноактивных пластифицирующих добавок.

Воздушной усадкой глин называется изменение линейных размеров, которое претерпевает свежесформованный образец под влиянием процессов, сопровождающих сушку. Усадочные деформации обусловливаются силами капиллярного давления. Эти силы стягивают частицы глины по мере удаления из них воды. Относительная воздушная усадка

18

глин колеблется в пределах 2–15 %. Запесоченность глин снижает усадку. Наиболее пластичные глины обладают большей усадкой.

Огнеупорностью называется свойство керамических материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. В зависимости от огнеупорности глины разделяются на огнеупорные (огнеупорность выше 1580оС); тугоплавкие (1580–1350оС) и легкоплавкие (ниже 1350оС). За огнеупорность глин условно принимают температуру, при которой стандартный образец – трехгранная усеченная пирамида из испытуемого материала – настолько размягчается, что его вершина наклоняется и слегка касается подставки, на которой он установлен. Огнеупорность глин зависит от гранулометрического состава, различных примесей и минералогического состава. Чистые монтмориллонитовые глины с содержанием до 90 % истинно глинистых частиц обладают наибольшей огнеупорностью.

Под огневой усадкой понимают изменение линейных размеров, которое претерпевает воздушно-сухой образец под влиянием физикохимических процессов, сопровождающих обжиг.

2.2.2. Добавки, применяемые в керамической технологии

В керамической технологии используют следующие виды добавок: отощающие, выгорающие, флюсующие (плавни), пластифицирующие и др.

Отощающие добавки вводят в исходное сырье с целью снижения его пластичности и воздушной усадки. Отощающие добавки делят на естественные и искусственные. К искусственным отощающим материалам относят главным образом шамот, получаемый путем предварительного обжига глины, а также топливные и доменные шлаки и золы. К природным естественным отощающим материалам относят непластичные глины, кварцевый песок, жильный кварц, кварциты и другие. Кварцевые материалы являются одним из лучших природных отощителей, уменьшающих пластичность глиносодержащих масс и снижающих их воздушную и огневую усадку. Чаще всего в качестве отощающей добавки применяют пески.

Выгорающие добавки вводят в керамическое сырье с целью снижения средней плотности материала и повышения пористости. В качестве выгорающих добавок используют любые органические вещества, которые в процессе обжига выгорают и поризуют керамический чере-

19

пок. Выгорающими добавками могут служить тонко измельченные уголь, торф, опилки, кора и другие органические материалы.

Плавни используют для снижения температуры спекания сырьевой смеси. К плавням относят такие материалы, которые при обжиге изделий вступают во взаимодействие с сырьевыми материалами шихты, давая легкоплавкие соединения. Образующаяся в обжиге жидкая фаза способствует спеканию материала, сближению частиц твердой фазы и срастанию их. Все виды плавней можно разбить на две основные группы:

а) собственно плавни, т.е. вещества, флюсующее действие которых обусловливается низкой температурой их плавления. Типичными представителями этой группы плавней являются полевые шпаты, пегматиты, нефелиновые сиениты, сподумены и другие;

б) материалы с высокой температурой плавления, но дающие при взаимодействии с компонентами керамической массы в процессе нагревания легкоплавкие соединения. К ним относят мел, доломит, магнезит, причем почти все материалы второй группы самостоятельно могут служить сырьем в производстве огнеупорных изделий.

В качестве пластифицирующих добавок к керамическому сырью могут использоваться органические поверхностно-активные гидрофильные материалы, например: щелочной сток производства капролактама (ЩСПК), лигносульфонаты технические (ЛСТ), мелассная упаренная последрожжевая барда (УПБ) и другие.

2.2.3. Технология производства керамических материалов

Технология производства керамических материалов включает в себя следующие основные операции.

Д о б ы ч а г л и н ы. Заводы по изготовлению керамических материалов строят около месторождений глин, поэтому глиняные карьеры являются неотъемлемой частью этих заводов. Глины залегают обычно неглубоко. Слой, покрывающий глину – “вскрышу”, удаляют скреперами, бульдозерами, экскаваторами. Глину добывают многоковшовыми экскаваторами или одноковшовым экскаватором с вместимостью ковша до 10 м3. Доставляется глина на завод по узкоколейным рельсовым путям, канатной подвесной дорогой или самосвалами грузоподъемностью от 2 до 60 т и хранится в глинохранилищах различной емкостью.

20

П о д г о т о в к а с ы р ь е в ы х м а т е р и а л о в. Она должна обеспечивать для каждого компонента керамической массы заданный химико-минералогический состав, необходимую степень чистоты, а также физическое состояние для дальнейшей переработки. Эта стадия включает процессы обогащения или “облагораживания” минерального сырья, т.е. промывку водой, сортировку, магнитную или ситовую сепарацию, химическую очистку и другие способы удаления вредных примесей, предварительное дробление, сушку сырья до влажности, обеспечивающей возможность измельчения, предварительную термическую обработку и т.д.

И з м е л ь ч е н и е к о м п о н е н т о в. Измельчение обеспечивает получение размеров зерна в соответствии с особенностями последующей технологии и требованиями к свойствам изделий. Для измельчения используют разнообразные дробилки (щековые, конусные, валковые, молотковые) и шаровые мельницы непрерывного или периодического действия. Для глинистых пород процесс измельчения нередко заменяют, так называемым “распусканием”, т.е. диспергированием до природных первичных частиц глиняных минералов под действием воды на куски породы.

С м е ш и в а н и е к о м п о н е н т о в. Оно должно обеспечивать получение однородной композиции (шихты, массы) определенного хи- мико-минералогического и зернового состава. После массовой или объемной дозировки компонентов их смешивают в периодически или непрерывно действующих смесителях. В ряде случаев процессы смешивания компонентов совмещают с их измельчением в мельницах тонкого помола.

П о д г о т о в к а м а с с ы. Она должна придавать массе определенные физические свойства (плотность, вязкость, пластичность), необходимые для последующих процессов формования. Эти свойства обусловливаются прежде всего надлежащим содержанием в массе “временной” или технологической связки. Последняя представляет собой, как правило, жидкость, хорошо смачивающую минеральные частицы, обеспечивает определенную пластичность дисперсной системы, а затем удаляется при последующей термической обработке сформованного полуфабриката. Роль такой жидкости могут выполнять вода, водные растворы минеральных или органических веществ. Формовочные свойства любых типов керамических масс в значительной мере зависят от их строения и содержания воздуха. Во многих производствах преду-

21

сматривают специальные технологические операции для улучшения строения масс и удаления воздуха.

П р о ц е с с ы ф о р м о в а н и я. Они должны придавать полуфабрикату (сырцу, заготовке) требуемую форму и размеры с учетом последующих изменений объема в сушке и обжиге. Одновременно должны быть обеспечены плотность, однородность строения полуфабриката и механическая прочность, достаточная для транспортирования и последующих технологических операций.

Варианты процесса формования, используемые в керамической технологии, могут быть сведены к трем главным группам:

а) прессование из порошковых масс, осуществляемое с приложением высоких давлений (плитки для полов);

б) формование из пластичных масс – выдавливание, штемпельное формование и раскатка заготовок в тела вращения (огнеупоры, строительная керамика, черепица, трубы);

в) отливка из текучих суспензий, так называемых керамических шликеров. Получение достаточно прочной отливки основано на удалении (отсасывании) избытка жидкости из тела отливки в пористую форму, либо на изменении агрегатного состояния (затвердевании) технологической связки. Процессы чаще осуществляются без внешнего давления (тонкая керамика, техническая керамика). В необходимых случаях все перечисленные способы формования сочетаются с последующей механической обработкой полуфабриката (резкой, обточкой, шлифованием), завершающей придание ему требуемой формы.

С у ш к а к е р а м и ч е с к о г о п о л у ф а б р и к а т а. Она должна закреплять форму полуфабриката и снижать содержание связующей жидкости в такой степени, чтобы исключить ее отрицательное влияние на последующий процесс обжига изделий. Если основным компонентом связки является малолетучее органическое вещество, то вместо процесса сушки осуществляется предварительное выжигание связки.

О б ж и г п о л у ф а б р и к а т а. Это важнейший этап керамической технологии, превращающий полуфабрикат в готовое изделие. Во время обжига протекает ряд сложных физико-химических процессов, в результате которых упрочняется и уплотняется изделие. Уплотнение и упрочнение, которые объединяются общим понятием “спекание”, сопровождаются приобретением необходимых физических, химических и технологических свойств. В процессе обжига изделия при температуре

22

до 100оС происходит испарение свободной воды. Удаление химически связанной воды - дегидратация – происходит при 450–500оС, оно приводит к образованию безводного метакаолинита. Затем происходят выгорание органических добавок и разложение карбонатов. При 600оС и выше протекает диссоциация безводного метакаолинита. Более высокая температура 900–1000оС способствует образованию муллита 3Al2O22SiO2, который и придает основные эксплуатационные свойства обжигаемому изделию. В процессе обжига и последующего охлаждения происходит изменение объема изделия на 2–3%, т.е. огневая усадка, которая связана с переходом кварца из α -модификации в β -форму и в α -кристобалит.

Обожженное изделие еще не всегда является готовой продукцией. Для ее выпуска могут требоваться различные дополнительные процессы, такие как шлифование, глазурование, декорирование, металлизация и др.

2.2.4. Свойства керамического кирпича

Кирпич глиняный обыкновенный имеет форму параллелепипеда размером 250×120×65 мм. Средняя плотность кирпича 1600–1900 кг/м3. Водопоглощение 6–20 %. В зависимости от предела прочности при сжатии кирпич делят на марки М75; М100; М125; М150; М200; М250; М300. Теплопроводность кирпича 0,7–0,82 вт/м.оС. Марка кирпича по морозостойкости F15; F25; F35; F50. Пористость кирпича колеблется в пределах 20–40 %.

2.2.5. Пример решения задач

Задача 1 Определить, какое количество глины по массе и по объему необ-

ходимо для получения 10000 штук кирпича со средней плотностью 1800 кг/м3. Средняя плотность глины 1700 кг/м3, влажность ее 15 %, а потери при прокаливании составляют 10 % от массы сухой глины.

Решение.

Определяем, какой объем будут иметь 10000 штук кирпича.

Vк = 10000·0,25·0,12·0,065=19,5 м3.

Определяем массу 10000 штук кирпича.

Vк ρ к = 19,5·1800=35100 кг.

23

Определяем массу сырой необожженной глины, необходимой для изготовления 10000 шт. кирпича с учетом потерь при прокаливании и влажности.

35100 1,10·1,15=44402 кг.

Определяем объем сырой глины.

Vгл = m / ρ гл = 44402/1700 = 26,12 м3.

2.2.6. Задачи для самостоятельного решения

1. Сколько штук обыкновенного красного кирпича можно приготовить из 5 т глины? Влажность глины 19 %, потери при прокаливании

8 % от массы сухой глины. Кирпич должен иметь среднюю плотность 1750 кг/м3.

2.Требуется получить 1000 штук пористого кирпича со средней плотностью 1000 кг/м3. Средняя плотность обыкновенного кирпича из этой глины 1800 кг/м3. Рассчитать массу древесных опилок, необходи-

мых для получения 1000 штук пористого кирпича, если насыпная плотность опилок 300 кг/м3.

3.Сколько кг глины требуется на изготовление 2000 штук плиток

для пола размером 150×150×13 мм, пористость плиток 4 %, истинная плотность спекшейся массы 2520 кг/м3, а потери при сушке и обжиге составляют 15% от массы глины?

4.Масса кирпича керамического обыкновенного стандартных размеров марки 150 в сухом состоянии равна 3,5 кг. Найти пористость

кирпича и решить вопрос о пригодности его для кладки стен гражданских зданий, если истинная плотность его равна 2,5 г/см3.

5.Определить предел прочности кирпича при изгибе, если площадь поршня пресса равна 40 см2, а показание манометра при разрушении кирпича равно 10 атм. Кирпич имеет стандартные размеры. Расстояние между опорами при испытании равно 20 см.

6.Сколько потребуется глины для изготовления 2500 штук плиток

для пола размером 150×150×13 мм, если известно, что пористость плиток 5 %, плотность спекшейся массы 2,60 г/см3, а потери при сушке и обжиге глины составили 13 % от массы глины?

7.Масса кирпича керамического обыкновенного стандартных размеров марки 200 в сухом состоянии равна 3,5 кг. Найти пористость