Глава 2. Общие сведения о силикатных материалах..

Глава 2

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Введение
Силикатные материалы и изделия из них по объему производства и потребления в народном хозяйстве занимают первое место среди традиционных твердофазных материалов. В значительной степени это объясняется меньшей энергоемкостью и, следовательно, большей экономичностью их производства по сравнению с металлами и полимерными материалами, а также простотой и неограниченностью сырьевой базы.
Чтобы лучше понять значение силикатов для народного хозяйства, разберемся в их наиболее характерных свойствах и преимуществах по сравнению с другими материалами. Силикатное сырье весьма доступно, очень дешево (особенно при разработке открытым способом). Технология его превращения в материал простейшая (как правило, это механическая обработка), в то время как металл, например, необходимо выплавить из руды, а затем сварить по определенной технологии.
Силикаты стойки к высоким температурам, что делает их исключительно пожаробезопасными. По сравнению с металлами они очень мало подвержены коррозии при воздействии окружающей среды.
По масштабам производства силикатные материалы занимают одно из первых мест. Тем не менее, многообразные возможности переработки и улучшения силикатного сырья еще далеко не исчерпаны. Как показали новейшие исследования, возможно создание новых высокоэффективных силикатных материалов и внедрение их в новые сферы применения. В настоящее время, на основе силикатного сырья, производятся: строительные материалы – кирпич, черепица, огнеупоры, химически стойкие материалы; электро-, тепло, и звукоизоляционные материалы; листовое стекло, а также изделия из стекла для электро-, радио-, телевизионной и оптической промышленности; химическая и хозяйственная посуда и тара; кварцевое стекло, хрусталь, растворимое стекло; цемент и строительные детали из него и т.д.
Силикатная промышленность включает три основные отрасли: производство керамики и огнеупоров, стекла и вяжущих веществ.

2.1. Общие сведения о керамике

Термин керамика происходит от греческого слова «керамос», что означает глина. Керамическими называют изделия, изготовленные из глины с различными добавками и обожжённые до камнеподобного состояния. В результате термической обработки керамика приобретает огнеупорность, химическую стойкость и ряд других свойств, определяющих широкое использование её в самых различных отраслях народного хозяйства. Среди всех известных материалов по совокупности физико-химических, механических и художественно эстетических свойств керамика не имеет себе равных. С керамикой связывают перспективы дальнейшего научно-технического прогресса. Она относится к основным материалам, оказывающим определенное влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. В технику керамику вошла в конце 60-х годов двадцатого века и произвела революцию в материаловедении, став, за короткое время, третьим промышленным материалом после металлов и полимеров. Это связано с тем, что керамика стала одним из основных материалов, способных конкурировать с металлами по термостойкости и термопрочности.
В настоящее время керамикой называют все изделия, полученные по керамической технологии, т.е. путём обжига (спекания) порошкообразных масс, в результате которого они переходят в кристаллическое камнеподобное состояние. К изделиям такого рода относится так называемая «новая керамика» технического назначения в том числе: порошкообразная (окисная), керметы, кристаллокерамика. На этой основе уже получены новые эффективные материалы; сверхтвёрдые – корунд, карбид бора, карборунд, эльбор; высокоогнеупорные – двуокись циркония, двуокись тория, выдерживающие температуру нагрева до 3000 єС, ферриты – керамика с магнитными свойствами. Полупроводниковая керамика из нитрида кремния, твёрдосплавная керамика высокотемпературные электронагреватели из дисилицида молибдена.
Материал (т.е. тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком. По структуре различают изделия с пористым и со спекшимся черепком, а также изделия из грубой и тонкой керамики.
Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5%, обычно такой черепок пропускает воду.
Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5%, как правило, он водонепроницаем.
Грубая керамика
· изделия с неоднородным грубозернистым черепком – кирпич, простой и облицовочный, черепица, огнеупорный кирпич, керамические трубы и т.п..
Тонкая керамика
· изделия с однородной тонкозернистой структурой черепка – майолика, фаянс, фарфор, тонко-каменные изделия.
Черепок тонкой керамики может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток и спекшимся (плитки полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1% называю каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором. Художественные керамические изделия относят к классу тонкой керамики, за исключением некоторых видов архитектурной и садово-парковой керамики, изготовляемых из грубозернистых масс.
2.1.1. Сырье для керамических изделий
Основным сырьем для изготовления керамических изделий являются тугоплавкие глины – вторичные осадочные породы. Глины имеют морское, озерное, делювиальное (состоящих из материалов разрушенных горных пород, смытых дождевыми потоками и талыми снеговыми водами со склонов гор, накапливающихся у их подножия), ледниковое, эоловое (состоящее из принесенных ветром продуктов выветривания плотных пород) происхождение. Они обладают высокой пластичностью, передают это свойство керамическим массам и способствуют их спеканию.
Глины отличаются тонкой дисперсностью, которая характеризуется преобладанием частиц размерами менее 10 мкм (более 50%) и менее 1 мкм (до 25%). По содержанию тонкодисперсных фракций глины подразделяются на группы (табл. 2.1.).
Таблица 2.1.
Содержание тонкодисперсных фракций в глинах
Группы глин
Содержание частиц, %, размером менее


10 мкм
1 мкм

Высокодисперсные
Свыше 85
Свыше 60

Среднедисперсные
60...85
40...60

Низкодисперсные
30...60
15...40

Грубодисперсные
Менее 30
Менее 15


Все важнейшие физико-химические и технологические свойства глин и глинистых пород (пластичность, набухание, усадка, спекаемость, огнеупорность, вспучивание, адсорбция) зависят, главным образом, от минерального, гранулометрического и химического состава.
Минеральный состав глин отличается неоднородностью, однако в нем всегда преобладают глинистые вещества. В составе глинистого сырья в виде примесей встречаются зерна кварца, полевых шпатов, слюды, оксиды и гидрооксиды железа и марганца, а также органические вещества, растительные и животные остатки. В глинистом веществе может содержаться в большом количестве один или несколько минералов. Исходя из этого, глины подразделяют на мономинеральные, когда глинистое вещество состоит преимущественно из одного минерала, и полиминеральные
· состоящее из нескольких минералов.
Глинистые минералы представляют собой водные алюмосиликаты (xАl2О3 · ySiO2 · zH2O), где х, y, z имеют различные значения.
К важнейшим глинистым минералам относятся: каолинит Аl2О3 · 2SiO2 · 2Н2О, монтмориллонит (Са, Mg)O · Аl2О3 · 4 5SiO2 · xН2О, гидрослюда (иллит) К2О · MgO · 4Аl2О3 · 7SiO2 · 2Н2О и др.
Мономинеральные глины, состоящие преимущественно из каолинита или минералов каолинитовой группы, называют каолином. Каолин отличается от других глин высоким содержанием глинозема Аl2О3, меньшей пластичностью и обладает свойством придавать повышенную белизну обожженному керамическому материалу.
Важнейшие свойства глин: пластичность, набухание усадка, спекаемость, огнеупорность, способность образовывать устойчивые суспензии.
Пластичность способность глин образовывать с водой тестообразные массы, принимающие под давлением любую форму и сохраняющие ее после высыхания. Пластичность зависит от минералогического состава и дисперсности глин. С пластичностью связана способность глин образовывать с отощающими материалами (кварц, шамот и др.) прочную и твердую однородную массу.
По степени пластичности глины подразделяют на связующие, пластичные, тощие и непластичные. Связующие глины, имеющие наибольшую пластичность, способны образовывать пластичное тесто при добавке к ним более 50% непластичных материалов, тощие только до 20%. Непластичные глины вообще не образуют пластичного теста.
Набухание способность глины увеличиваться в объеме при смешивании с водой. Это свойство зависит от минерального и зернового состава глин.
Воздушная усадка это уменьшение объема глины и изделий из нее при сушке, а огневая усадка при обжиге. Воздушная и огневая усадки зависят от минералогического состава глинистого вещества, дисперсности и влажности изделий. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глин. Воздушная усадка колеблется от 1,5 до 13%, огневая достигает 23% от объема сырого образца. Добавление отощающих материалов снижает усадку.
Спекаемость глин заключается в их способности при обжиге образовывать камнеподобное твердое тело (черепок), характеризующееся высокой механической прочностью и химической стойкостью. Степень спекания зависит от состава глинистой массы и режима обжига. Температура спекания у разных глин колеблется от 450 до 1400°С. По степени спекания при температуре обжига 1350°С глины делятся на сильноспекающиеся, способные при обжиге давать черепок с водопоглощением не более 2%, среднеспекающиеся не более 5% и неспекающиеся более 5%.
Огнеупорность способность глин противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность зависит от химического состава глин, дисперсности, наличия примесей.
По огнеупорности глины делятся на высокоогнеупорные, огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие (температура плавления которых составляет 1700°С и выше, от 1580 до 1700°С, 1350...1580°С, менее 1350°С, соответственно).
Адсорбционные свойства характеризуются способностью глин поглощать из окружающей среды и удерживать на поверхности частиц глинистых минералов те или иные ионы и молекулы. Адсорбционные свойства глин зависят от их состава и дисперсности. Глины, образованные за счет вулканических туфов, обладают наиболее активными адсорбционными свойствами.
Цвет глин, как в сыром, так и в обожженном состоянии зависит от минерального состава и присутствия в них различных примесей. Мономинеральные глины имеют обычно белый или светло-серый цвет, каолин чаще белый, желтоватый, серый. Зеленая и голубая окраска разной степени интенсивности присуща гидрослюдистым глинам. Гидрооксиды и оксиды железа придают глинам оттенки желтого, красного и фиолетового цветов; оксиды марганца буроватый цвет. Наличие различных минеральных компонентов дает смешанную окраску, часто неравномерную по слою. Органические примеси окрашивают глины в серый, темно-серый и черный цвета.
По цвету обожженного черепка различают беложгущиеся глины (белый черепок), светложгущиеся (светло-желтый, светло-серый черепок), темножгущиеся (красный, коричневый оттенок черепка).
По содержанию красящих оксидов (Fe2O3 + ТiO2), от которого зависит цвет глиняного черепка, глины подразделяют на четыре группы: с весьма низким содержанием (до 1%) красящих оксидов, с низким содержанием красящих оксидов (Fe2O3 менее 1,5%, ТiO2 менее 1%), со средним содержанием красящих оксидов (Fe2O3 1,5...3%, ТiO2 1...2%), с высоким содержанием красящих оксидов (Fe2O3 более 3%; ТiO2 более 2%).
Отощающие материалы это добавки к пластичным материалам, снижающие пластичность и усадку масс при сушке и обжиге. Отощающие материалы вводят в керамические массы для регулирования их структурно-механических и технологических свойств. К ним относятся кремнеземистые материалы, шамот (обожженная глина), череп (бой) глазурованных и неглазурованных изделий. В керамической промышленности в основном применяют кремнеземистые материалы: жильный кварц, кварцевые пески, кварцевые отходы каолиновых обогатительных фабрик (побочный продукт), кварц из пегматитов, диатомит, трепел, а также бой изделий.
Наиболее качественные отощающие материалы жильный кварц и кварц из пегматитов. Их основная составляющая кремнезем SiO2 может быть в различных формах
·- и
· - кварц,
·-,
·- и
·-тридимит,
·- и
·-кристобалит и кварцевое стекло.
В качестве искусственных отощающих добавок применяют шамот и бой керамических изделий. Шамот получают специальным обжигом огнеупорных глин с последующим их измельчением. Бой изделий в производстве художественной керамики используют также после предварительного измельчения.
Плавни вещества, которые способствуют образованию при обжиге легкоплавких соединений и снижению температуры обжига изделий. Плавнями считаются материалы, которые при данном составе керамической массы раньше других переходят во время обжига в расплавленное состояние и служат растворителями для остальных компонентов. К ним относятся легкоплавкие материалы или те, которые, вступая во взаимодействие с другими компонентами, образуют легкоплавкие соединения. К первым причисляют полевые шпаты, ко вторым карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния).
Полевые шпаты широко распространенные породообразующие минералы, представляющие собой алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов. Эти минералы способны образовывать твердые растворы. Натриево-кальциевые полевые шпаты (альбит и анортит) образуют так называемые плагиоклазы ( греч. косая ломка)
· породообразующие минералы, входящие в группу каркасных; калиево-натриевые полевые шпаты ортоклазы (греч. прямая ломка). Калиевый полевой шпат придает наибольшую вязкость расплаву, что уменьшает чувствительность керамических масс к перепаду температур.
Полевые шпаты, «проросшие» кварцем, называются пегматитом.
Полевые шпаты имеют различный цвет: красный, розовый, белый, серый. В качестве примесей в полевых шпатах присутствуют биотит, магнетит и др., которые окрашивают стекло и загрязняют его темной выплавкой «мушкой». Карбонаты щелочноземельных металлов (кальция и магния) широко используют в производстве художественной керамики. К ним относятся: углекислый кальций СаСО3 известняк, мел, мрамор; углекислый магний MgCO3 магнезит; двойная углекислая соль кальция к магния СаСО3 · MgCO3 доломит.
Известняк осадочная горная порода, состоящая главным образом из кальцита СаСО3 (56% СаО и 44% СО2). Различают известняки химического и органического происхождения. Примером известняков органического происхождения служит мел, в котором содержится 96...99% СаСО3
Мрамор кристаллическая горная порода, состоящая в основном из кристаллов кальцита и доломита. В качестве примесей в нем присутствуют кварц, полевой шпат, рутил и др.
Магнезит кристаллическая горная порода, которая встречается в природе в аморфном и кристаллическом виде. Магнезиты применяют как флюсующую добавку при получении фарфоровых масс повышенной белизны и некоторых глазурей.
Доломит осадочная карбонатная горная порода; в природе встречается в виде крупно-, средне- и тонкозернистой твердой кристаллической породы, а также в виде более мягкой породы, называемой опокой.
Тальк - гидросиликат магния 3MgO · 4SiO2 · Н2О, мягкий материал (твердость по шкале Мооса-1); содержит примеси оксидов алюминия, железа, кальция. Цвет талька белый. Его используют главным образом для изготовления тонкокаменных масс.
Пирофиллит представляет собой мягкий материал, имеющий химический состав Аl2О3·4SiO2·Н2О. Применяют в производстве художественной керамики. Благодаря мягкости из него можно механической обработкой изготовить изделие, которое после обжига сохраняет свою форму и размеры и приобретает большую механическую прочность.
Глины относятся к полезным ископаемым, имеющим большое практическое значение, и добываются в больших количествах.
По ценности, составу и характеру технических требований промышленности выделяются следующие наиболее важные группы глин: грубокерамические, огнеупорные и тугоплавкие, каолины, адсорбционные и высокодисперсные (монтмориллонитовые).
Грубокерамические глины, обычно железисто-монтмориллонитовые, богаты кремнезёмом SiO2 (до 65-70%) и содержат много примесей. Причиной образования трещин в изделиях, изготавливаемых из этих глин, являются содержащиеся в них примеси в виде крупной гальки и песка.
Известковые и гипсовые включения при обжиге переходят в негашёную известь, которая, соединяясь с водой, вызывает вспучивание и разрушение изделий. Глины преимущественно легкоплавкие; температура спекания 900-1000 єС, присутствие окислов железа вызывает её понижение. Эти глины используются в сыром виде (земляная набивка, саманный кирпич и пр.) и для изготовления грубокерамичесих изделий: посуды, дренажных труб, строительного красного кирпича, черепицы и т.д.
Пластичные сорта глин применяются также для изготовления гончарных сосудов, фигурок и пр., для лепки скульпторами оригиналов, которые либо переводятся в другие материалы (бронзу, мрамор, фарфор и др.), либо закрепляются обжигом. Глины широко применяются также для получения керамзита, используемого в качестве наполнителя лёгких бетонов.
Огнеупорные и тугоплавкие глины, преимущественно каолиновые с различными примесями, характеризуются высоким содержанием глинозёма Al2O3 (30-42%) и ряда примесей, содержание которых должно быть не более %: Fe2O3 3-4, TiO2 1-2, CaO 0,8, SO3 0,2-0,3. Эти глины обладают высокой связующей способностью и пластичностью, высокой огнеупорностью (не ниже 1600-1670 є С) и являются сырьём для различных керамических производств. Важнейшие из них – производство огнеупорного припаса для металлургических и стекольных печей, топок паровых котлов, изготовления различных изделий тонкой керамики, электрокерамики. Огнеупорные глины входят в состав многих формовочных земель, широко применяемых в литейном деле.
Каолин – малопластичные глины. Получают из каолина (сырца), который подвергают очистке – отмучиванию (растворение в воде с последующим осаждением) или воздушной сепарации, для отделения от крупных песчанистых примесей. Отмученный или очищенный каолин не должен содержать примесей песчанистых частиц. Содержание окиси железа в нём не должно быть больше 1-1,5%, а в лучших сортах – менее 0,5%. Используется в бумажной, резиновой, пластмассовой, парфюмерной и других отраслях промышленности, в качестве наполнителей, а также в керамическом производстве, как компонент фарфорово-фаянсовых масс
Монтомориллонитовые глины, имеют переменный химический состав (Ca, Na,) (Mg, Al, Fe)2 [(Si, Al)4 O10] (OH)2
·nH2O. Эти глины обладают большой пластичностью, применяются: в нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве глинистого раствора при бурении; в металлургии
· в качестве связки при производстве железорудных окатышей и для приготовления формовочных земель (при литье в земляную форму); а также в пищевой, химической, формацевтической и мыловаренной промышленности, благодаря их адсорбирующим и омыляющим свойствам.
2.1.2. Основные свойства керамических материалов
К керамическим материалам предъявляются различные требования в соответствии с условиями эксплуатации изготовленных из них изделий. В связи с этимвыделяют: огнеупорную керамику, электротехническую керамику, строительную, художественную и т. д..
Свойства некоторых видов технической керамики, изготавливаемой на основе: чистых окислов, тугоплавких карбидов элементов IV и V групп Периодической системы элементов, нитридов кремния, бора, алюминия силицидов, боридов переходных элементов, галогенидов щелочных и щелочноземельных элементов и других соединений
· резко отличаются от свойств изделий, изготавливаемых из глин и каолинов. Поэтому, объединяющим признаком керамических изделий и материалов остаётся получение их методом высокотемпературного спекания, а также использование в производстве родственных технологических методов, включающих: обработку исходного сырья, приготовление керамической массы, формование, сушку и обжиг.
Основными контролируемыми свойствами керамики являются: плотность, пористость, прочность, водопоглощение, теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, жаропрочность, паропроницаемост и др.,
Физико-механические свойства изделий связаны со структурой материалов черепка, из которых они изготовлены, и глазури, их покрывающей.
Под структурой керамического материала понимают особенность его строения, которая определяется размером и формой зерен, их распределением и контактом между собой, количественными и качественными параметрами фазового состава, пористостью.
Керамика представляет собой сложную многофазную систему. В ее состав входят кристаллическая, стекловидная и газовая фазы (часто, в виде закрытых пор).
Фазовый состав это количественное соотношение фаз, составляющих структуру материала изделия.
Кристаллическая фаза как по содержанию так и по свойствам, которые она придает материалу (температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.) является основной фазой керамики. Кристаллическая фаза, например, твердого фарфора, состоит в основном (15...30%) из муллита (ЗАl2О3·2SiO2), зерен непрореагировавшего кварца (8...10%) и вновь образовавшейся разновидности кварца кристобалита (6...10%). Кристаллы муллита составляют основу (скелет) фарфора и обеспечивают его механическую прочность и малый температурный коэффициент линейного расширения.
Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающего между собой зерна кристаллической фазы. В зависимости от типа керамики доля стекловидной фазы в ней может изменяться в довольно широких пределах (от 30 до 60 %). От количества стекловидной фазы зависят такие технологические свойства керамики как температура спекания, степень пластичности и др.
Например, стекловидная фаза твердого фарфора, составляющая около 60% всей массы в фарфоре, представляет собой кварцполевошпатовое стекло, которое образовалось в результате плавления частичек полевого шпата и кварца, входящих в состав исходной массы. Стекловидная фаза фарфора это масса, проросшая мелкими продолговатыми кристаллами муллита. Стекловидная фаза понижает термостойкость, механическую прочность и электрические параметры, влияет на цвет и способствует повышению просвечиваемости изделий.
Газовая фаза в керамике (в виде закрытых пор) зависит от технологического процесса изготовления изделия. В зависимости от назначения изготавливаемых керамических изделий, наличие газовой фазы может оказывать как положительное , так и отрицательное влияние на свойства продукции. Пористые керамические материалы, обладающие низкой теплопроводностью и более низким удельным весом, широко применяются в строительстве (керамический кирпич, черепица, керамические и металлокерамические фильтры и т.п.). Высокоплотная керамика, с минимальным объемом пор востребована при производстве изделий электронной техники, которые должны обладать высокой механической и электрической прочностью, минимальными диэлектрическими потерями при высоких напряжениях и т.п..
Причинами образования газовой фазы служит воздух, заключенный в порах, газообразные продукты реакций разложения органических и других веществ, входящих в состав материалов, в процессе обжига.
Химическая стойкость керамических материалов характеризуется их способностью не разрушаться под воздействием веществ, с которыми они соприкасаются в процессе эксплуатации.
Плотность величина, равная массе вещества, отнесенной к занимаемому им объему. Различают истинную, среднюю (кажущуюся) и насыпную плотности.
Истинная плотность материала q характеризуется массой единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без учета пор и пустот, и определяется отношением массы материала m(r) в сухом состоянии к объему V (см3) в абсолютно плотном состоянии: Q = m/V.
Средняя (кажущаяся) плотность Qm характеризует отношение массы материала ко всему занимаемому им объему, включая поры: Qm = m/V1, где m масса сухого образца, г; V1, объем образца, включая поры, см 3.
Пористость степень заполнения объема материала порами.
Общая пористость Побщ определяется отношением суммарного объема открытых и закрытых пор образца к его объему и выражается в процентах: По6щ=(1 - qm/q)*100, где q истинная плотность, г/см3; qm средняя (кажущаяся) плотность, г/см3.
Открытая пористость Потк определяется отношением объема открытых пор, т. е. доступных для воды и сообщающихся между собой и внешней средой, к объему образца и выражается в процентах: Потк = [(m2m1)/(m2m)]*100, где m1 масса сухого образца, г; m масса гирь, уравновешивающих насыщенной жидкостью образец, г; m2 масса образца, насыщенного водой, г.
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) показатель, характеризующий изменение длины испытуемого образца керамического материала при его на нагревании на 1°С.
Температурный коэффициент линейного расширения один из важнейших показателей керамических материалов и глазурей. Только при соответствии ТКЛР черепка изделия и глазури можно получить качественные изделия, в противном случае появляются трещины на глазури (если ТКЛР черепка больше ТКЛР глазури) или происходит ее отслаивание (если ТКЛР черепка меньше ТКЛР глазури).
Теплоемкость способность материала поглощать тепловую энергию при нагревании. Теплоемкость характеризуется количеством теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теплоемкость с (кДж/(кг*°С) единицы массы называется удельной и вычисляется по формуле C = Q/(m
·T),  где Q количество теплоты, сообщенное материалу, кДж; m масса нагреваемого материала, кг;
·Т изменение температуры, °С;
·Т = tl t0, где t0 и t1 начальная и конечная температуры материала.
Теплопроводность способность материала пропускать теплоту через свою толщу от одной своей поверхности к другой. Она зависит от физико-химических свойств материала, его пористости, прочности и др. С повышением теплопроводности увеличивается термостойкость материала.
Прочность способность материала сопротивляться разрушению в результате действия внешних нагрузок. При сжатии внешние силы стремятся сблизить между собой элементарные частицы материала, при растяжении отдалить их одну от другой.
Прочность характеризуется пределом прочности, т. е. наибольшим напряжением, при котором происходит разрушение материала. В зависимости от характера приложения нагрузки различают предел прочности при сжатии и растяжении.
Предел прочности, при сжатии
·сж (Па) определяют по формуле
·сж = Fpзp/S, где Fpзp разрушающая нагрузка сжатия, МН; S площадь поперечного сечения образца, м2.
Предел прочности при растяжении
·рст (МПа) вычисляют по формуле

·рст = 50 Fpзp/S,
Ударная вязкость материала характеризуется пределом прочности при ударном изгибе. Ударная вязкость один из важнейших эксплуатационных показателей керамических изделий, так как он определяет способность материалов не давать трещин и не разрушаться под воздействием ударных изгибающих нагрузок. Оценивается работой до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесенной к площади его сечения в месте его надреза и выражается в Дж/м2.
Твердость способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого более твердого материала. Твердость характеризует прочность поверхностных слоев материала.
Истираемость способность материала сопротивляться воздействию истирающих усилий. Истираемость характеризуется уменьшением массы изделия в результате износа его поверхности в процессе эксплуатации.
Эстетические показатели изделий художественной керамики характеризуются их оптическими (белизна, просвечиваемость, блеск) и органолептическими (совершенство формы и декора, целостность композиции и совершенство производственного исполнения) качествами.
Белизна для фарфоровых и фаянсовых изделий признак высокого качества. Она определяется как процент отраженного поверхностью изделия светового потока по сравнению с белизной эталона баритовой пластинки (BaSO4), белизна которой принята за 100%. Белизну фарфоровых и фаянсовых изделий определяют фотометрами. Белизна изделий зависит от чистоты исходных сырьевых материалов (особенно каолинов), наличия в них красящих оксидов железа Fe2O3, титана ТiO2, зернового и минералогического состава компонентов массы, состава газовой атмосферы и режима обжига.
2.1.3. Технологии производства керамических изделий
Широкое применение керамические материалы находят в строительстве. В зависимости от применения, они подразделяются на следующие группы:
стеновые материалы (кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и лёгкий, камни керамические пустотелые);
кровельные материалы и материалы для перекрытий (черепица, керамические пустотелые изделия);
облицовочные материалы для наружной и внутренней облицовки (кирпичи и камни лицевые, плиты керамические фасадные, малогабаритные плитки);
материалы для полов (плитки);
материалы специального назначения (дорожные, санитарно-строительные, химически стойкие, материалы для подземных коммуникаций, в частности трубы, теплоизоляционные, огнеупорные и др.);
заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).
Несмотря на широкое разнообразие свойств керамических изделий, технологические процессы их производства имеют много общего и состоят из: подготовки массы, формования, сушки и обжига. При таком небольшом количестве процессов в производстве керамики осуществляются разнообразные варианты технологических схем, которые меняются в зависимости от состава исходной массы, а также от характера производимой продукции. Общее представление о технологическом процессе производства строительной керамики можно получить из примера технологической схемы производства керамического кирпича, приведенной на рис. 2.5.
Рассмотрим подробнее процесс производства керамического кирпича.

2.1.4. Производство керамического кирпича
Кирпич - один из самых древних строительных материалов широко использующийся и по сей день. Кирпич обладает долговечностью, прочностью, устойчивостью к окружающей среде и при этом он отличается простотой использования. Кирпичи различаются по характеристикам: цвет, размер, пустотность, морозостойкость.
Технология производства кирпича постоянно совершенствуется. Cамыми распространёнными технологиями производства кирпича являются методы изготовления с использованием глины, причём в первом случае, она подвергается обжигу, а во втором
· нет. На сегодняшний день производятся следующие виды кирпича: декоративный, керамический, клинкерный, огнеупорный, теплоизоляционный, силикатный, облицовочный и кислотоупорный.
Как известно, «строительный кирпич» – это искусственный камень правильной формы, сформированный из минеральных материалов и приобретающий камнеподобные свойства обжигом или обработкой паром.
Широкое распространение во многих странах имел необожженный кирпич-сырец, часто с добавлением в глину резаной соломы. Применение в строительстве обожженного кирпича также восходит к глубокой древности (постройки в Египте, 3-2-е тысячелетие до н.э.). Особенно важную роль играл кирпич в зодчестве Месопотамии и Древнего Рима, где из него выкладывали сложные конструкции, в том числе арки, своды и т.п.
Примером использования кирпичного строительства в России времен Иоанна III стало строительство стен и храмов Московского Кремля, которым заведовали итальянские мастера. « и кирпичную печь устроили за Андрониковым монастырем, в Калитникове, в чем ожигать кирпич и как делать, нашего Русского кирпича уже да продолговатее и тверже, когда его нужно ломать, то водой размачивают. Известь же густо мотыгами повелели мешать, как на утро засохнет, то и ножом невозможно расколупать».
До XIX века техника производства кирпича оставалась примитивной и трудоемкой. Формовали кирпич вручную, сушили только летом, обжигали в напольных печах-времянках, выложенных из высушенного кирпича-сырца. В середине XIX века были построены кольцевая обжиговая печь и ленточный пресс, глинообрабатывающие машины бегуны, вальцы, глиномялки.
Большие запасы повсеместно распространенного сырья, простота технологии, возможность получения заданных свойств, а также долговечность и экологичность керамических изделий обеспечивает им большие объемы производства среди стеновых материалов, используемых в современном строительстве.
В наше время более 80 % всего кирпича производят предприятия круглогодичного действия, среди которых имеются крупные механизированные заводы, производительностью свыше 200 млн. шт. в год.
По виду исходного сырья и по способу изготовления различают силикатный кирпич (известково-песчаный), получаемый автоклавным способом, и глиняный обожженный (обыкновенный и лицевой)».
До недавнего времени основное количество кирпича производилось методом пластического формования. Основной недостаток этого метода необходимость сушки отформованного кирпича. Причем, для получения качественной поверхности кирпича, процесс сушки должен проходить медленно (от трех дней до нескольких недель). Несмотря на то, что многие заводы вводят в глину целый комплекс элементов для уменьшения растрескивания кирпича в процессе сушки (такие как шамот, опилки, уголь, сланец и др.), избежать растрескивания кирпича удается не многим. Как увеличение продолжительности сушки, так и увеличение количества вносимых добавок приводит к увеличению себестоимости производимого кирпича. Первое
· увеличивает потребление энергоносителей в 1,5-2 раза, второе
· приводит к удорожанию готового кирпича, (т.к. любая добавка стоит значительно дороже глины.). Вторым недостатком метода пластического формования является то, что для получения качественного кирпича глину необходимо тщательно и качественно переработать, что требует больших затрат электроэнергии, что приводит к повышению себестоимости кирпича. Поэтому, большинство отечественных предприятий использует минимальный комплект перерабатывающего оборудования, что отнюдь не способствует качеству выпускаемого кирпича.
Другим способом производства кирпича является метод полусухого формования. Данный метод широко распространен в Ростовской области и Краснодарском крае, где практически половина крупных кирпичных заводов работают по этой технологии. Заводы по производству кирпича полусухим методом также работают в Белгородской, Воронежской, Нижегородской, Московской областях и на Урале. Метод полусухого формования предусматривает подсушку глины в сушильном барабане в течение 10-15 минут, после чего глина измельчается стержневым смесителем в порошок до фракций размером 0,5- 5 мм и формуется в кирпич колено – рычажными прессами.

2.1.5. Технологические процессы подготовки сырья и изготовления керамического кирпича
Основными технологическими процессами производства изделий из керамики являются подготовка шихты, формование изделия, сушка и обжиг. Однако, в зависимости от характера производимой продукции и набора свойств, которые ей необходимо придать, изменяется состав шихты, и осуществляются разнообразные варианты технологических схем производства.
Например, для производства обыкновенного строительного кирпича применяются всевозможные простые сорта легкосплавных песчанистых глин, а иногда и мергелистые глины, не содержащие вредных примесей грубых камней, известковых «дутиков», колчедана, гипса, крупных включений органических веществ и т.п. (таблица 2.2.)
Таблица 2.2.
Химический состав глиняно-песчаной смеси для производства кирпича

Химический состав
Песок, %
Глина, %

Si O2
67,2
57,5-67,2

Al2 O3
8,7
8,7-13,2

Fe2 O3
5,5
4,2-6,4

Ti O2
0,4
0,4-0,8

Ca O
6,8
3,5-9,8

Mg O
1,4
1,4-2,6

K2 O + Na2 O
3,5
2,9-3,5

S O3
менее 0,01
0,01-0,1


Подготовка глины производится одним из следующих способов. Глину, подаваемую с карьера, сбрасывают в творильные бетонированные ямы, где она послойно разравнивается, заливается водой и отстаивается в течение 3-4 суток. Затем глина доставляется на предприятие по изготовлению кирпича для механической обработки. В процессе обработки из глины удаляются камни, она хорошо перемешивается, и поступает в ленточный пресс. Далее происходит нарезка кирпичей, и их отправка в камеру для сушки. Для сушки кирпича используют тепло отработанного пара. После сушки кирпич поступает в кольцевую или туннельную печь, в которой осуществляется обжиг.
По другому способу глину непосредственно с карьера подают на завод к дробильной и увлажняющей машине. В целях получения более однородной массы глину подвергают выветриванию и вымораживанию в невысоких (около 1 м высотой и 2 м шириной) массивах на открытом воздухе. Способ обработки сырья зависит от его характера и рода изделия.
Для отделения камней из глины применяют камневыделительные вальцы. Эти вальцы одновременно измельчают глину и отделяют камни, выводя их по желобу в бункер отходов.
Во многих случаях качество глины таково, что она может непосредственно поступать в ящичный питатель, состоящий из 2-4 отделений, в зависимости от числа смешиваемых сортов глины (жирной и тощей). У выходного отверстия питателя помещается вращающийся вал с насаженными на него кулаками или подвижными граблями, которые подают глину, подошедшую к выходному отверстию питателя, частично разбивают попадающиеся на пути куски и сбрасывают глину под бегуны. Под бегунами глина хорошо размалывается и продавливается через дырчатую тарелку бегунов (величина отверстий около 3 мм). Получается гелеобразная масса. В бегуны нередко подбрасывают бракованный сырец. Иногда между питателем и бегунами (большей частью при производстве черепицы) устанавливается увлажняющий шнек, куда поступает необходимое количество воды. Добавка воды к массе часто производится во время обработки ее бегунами. В этом случае применяют так называемые «мокрые» бегуны.
Глина из-под бегунов проходит одну или две пары гладких вальцов и поступает в кирпичный ленточный пресс, соединённый с резательным аппаратом. Проволока резательного автомата отрезает кирпич от глиняной ленты и мгновенно отходит обратно. Отрезанный кирпич попадает (на ребро) на подкладочные алюминиевые рамы 1, движущиеся на 2-3 см ниже глиняной ленты 2 (рис. 2.1.). Так как скорость движения рам несколько больше, чем глиняной ленты, то между отрезанными кирпичами образуются промежутки 3, необходимые при последующей сушке. После расфасовки по рамам, сырец подается в сушильную камеру. По заполнении, камера плотно запирается и обогревается (рис. 2.2.).
Сушка кирпича производится в сушилках следующих типов: с естественной сушкой, с искусственной и комбинированной. Естественные способы сушки применяются главным образом, при небольшой производительности завода. Естественная сушка довольно продолжительна и при большом объеме производства не вполне рентабельна, так как требуется много складского пространства и успех работы в значительной степени зависит от погоды. Для искусственной сушки применяют тепло отработанного пара, остывающего обожженного кирпича, а в некоторых случаях тепло дымовых газов. Нагретый воздух (350-4000 С) отсасывается из обжиговой печи с помощью вытяжная вентиляция и подается в сушильную камеру. Благодаря постепенному подъему температуры, в закрытой сушильной камере с течением времени образуются испарения воды без заметного движения воздуха. Это весьма благоприятно влияет на сушку кирпича, особенно изготовленного из глин чувствительных к режиму сушки. Сырец нагревается во влажном воздухе и преждевременного высыхания его поверхности не происходит, а влага равномерно испаряется из всей массы сырца, что предотвращает его растрескивание. Для обеспечения равномерности тяги и работы в печи устанавливают вентиляторы. Газы продуктов горения используются для сушки сравнительно редко, так как они действуют разрушающим образом на дерево и железо, в виду их агрессивности. Их следует пропускать по трубам или каналам под полом сушилки.
Высушенный кирпич при помощи различного рода подъемников и вагонеток подается в печь для обжига (рис. 2.3). Обжиг кирпича обычно производится в кольцевых печах или в печах «зигзаг», а в последнее время, в туннельных печах.
Операция обжига производится при температуре от 900 до 1000 градусов.
Схема производственного процесса изготовления керамического кирпича приведена на рис. 2. 5. На схеме отражена последовательность вы- полнения операций от момента складирования сырья, доставленного из карьера и далее, по технологической цепочке, до операции погрузки упакованного кирпича.
В зависимости от состава глины и от степени обжига изделия получают различную окраску: при нормальном обжиге – красную, при слабом – розовую, при сильном – темно-красную. Имеются также глины, богатые известью, придающие кирпичу желтую или розово-желтую окраску. Хороший стеновой кирпич должен иметь матовую поверхность (не стекловидную), при ударе давать звонкий, ясный звук, не иметь трещин на лицевых сторонах, раковин и внутренних пустот. Он должен иметь однородный излом, быть достаточно пористым и легким. На рисунке 2.4. приведен процесс выгрузки обожженного кирпича из печи.
На рисунке 2.5. приведена схема технологического процесса производства керамического кирпича.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415



















































































































Рис. 2.5. Схема технологического процесса производства керамического кирпича
2.1.6.Технология производства кирпича без обжига
При безобжиговом методе изготовления кирпича применяется гиперпрессование или трибопрессование. Это процесс сварки минеральных сыпучих компонентов под воздействием высокого давления с применением вяжущих элементов и воды, который заканчивается выдержкой субстанции в течение 3-5 суток. После этого материал помещается в бетоносмеситель, где он тщательно перемешивается с цементом. Далее следует процесс формования изделий. На складе прессованный кирпич остается от 3 до 7 суток, после чего возможна отгрузка готового кирпича покупателю.
Кроме обыкновенного строительного кирпича вырабатываются еще так называемые фасонные сорта: лекальные (для кладки круглых дымовых труб и сводов), клиновые, карнизные и т.п. Кроме того, делают пустотелые и фасонные кирпичи и легковесные кирпичи, которые получили широкое применение в строительстве.
Облицовочный кирпич (лицевой, фасонный) изготовляется из чистых однородных глин, обладающих повышенной вязкостью и имеющих раннее спекание, с интервалом не менее 100-200 градусов. Глины должны быть свободны от крупных включений и не содержать растворимых солей.
Облицовочный кирпич может быть полнотелым или пустотелым и изготавливается как пластическим, так и полусухим способом. Фактура на лицевой поверхности кирпича достигается с помощью приспособленных к мундштуку валиков с обработанной рельефом поверхностью или путем допрессовки сырца в подвяленном состоянии. Облицовочный кирпич применяется, главным образом, для облицовки фасадов зданий (декорирования окон, дверей, карнизов и пр.), и изготавливается разных профилей.
Легковесный пористый кирпич применяется для возведения стен и как заполнитель каркасных зданий. Отличается от обычного строительного кирпича меньшей теплопроводностью. Он изготавливается из смеси глины с древесными опилками, торфом или другими органическими материалами, которые при обжиге выгорают в массе кирпича, образуя поры. Для изготовления легковесного кирпича применяют жирные чистые глины, не содержащих посторонних включений. Технология производства в основном аналогична технологии производства обычного строительного кирпича.
Сухой способ производства строительного кирпича не требует устройства специальных дорогостоящих сушильных установок, так как отпрессованный кирпич, не подвергаясь сушке, непосредственно или после вылеживания в течение суток, поступает в обжиговую печь. При производстве кирпича методом сухого прессования используют тощие глины. В процессе производства принимают участие прессы ударного действия, рычажные и револьверные. Обжиг происходит в печах типа гофманских и реже «зигзаг», а также в туннельных печах с небольшим сечением обжигательного канала, чтобы избежать значительных перепадов температур. Температура обжига колеблется от 950 до 1100 градусов и редко выше.
Кирпичи должны быть нормально обожжены, так как от этого зависят их физико-механические свойства. Например, недожженный кирпич обладает недостаточной прочностью, пониженной водо- и морозостойкостью. Кроме того, он более темный и тяжелый, издает при ударе глухой звук и пригоден лишь для малонагруженных внутренних стен. Пережженный кирпич весьма прочный, с малой влагоемкостью, повышенной плотностью, теплопроводностью, издает при ударе высокий звонкий звук и часто имеет неправильную форму. Применяется для кладки в сырых местах.
Цветной лицевой кирпич производится из цветных материалов с применением разнообразных добавок минеральных веществ, рудообразующих пород и отходов производства.
Изготовление кирпича из материалов, содержащих цветные примеси, требует хорошего смешивания основной массы глины с добавками и большого количества красящих компонентов. Тем не менее, изготовление такого кирпича проще, чем производство кирпича с декоративно обработанной поверхностью.
Кирпич шамотный огнеупорный используют как в промышленности для кладки печей с высокими температурами работы, так и для частного строительства при устройстве каминов и различных топочных печей.
Различают четыре класса огнеупорного кирпича: кварцевый, глиноземный (кирпичи шамотные огнеупорные), основной и углеродистый. Кварцевый кирпич состоит из чистого песчаника или кварца и применяется для кладки сводов отражательных печей, контактирующих непосредственно с пламенем. Частично применяют его для кладки сводов каминов. Для конструкций, эксплуатируемых при температуре 1000-1300 °С, используют глиноземные шамотные кирпичи, более стойкие к щелочным средам и скачкам температуры.
К основным огнеупорным кирпичам относят известково-магнезитные составы, применяемые, в металлургическом производстве для футеровки печей, предназначенных для варки сталей из фосфористых руд.
Прессованный из графита или кокса углеродистый кирпич используют исключительно в доменных печах. Кварцевые, основные и углеродистые кирпичи имеют узкое назначение и используются в металлургической промышленности.
Кирпичи шамотные огнеупорные имеют более широкую область применения за счет своей универсальности и сравнительной дешевизны. Основную часть состава шамотного кирпича (до 70%) составляет обожженная огнеупорная глина - шамот. Шамотный огнеупорный кирпич способен выдерживать температуры до 1300 °С. В зависимости от использования, кирпичи шамотные огнеупорные выпускают разных марок: кирпичи ША и кирпичи ШБ общего назначения, кирпичи шамотные ковшевые ШКУ, кирпичи шамотные доменные для горнов ШПД, кирпичи шамотные ваграночные ШАВ, кирпичи шамотные торцевые двусторонние для футеровки вращающихся печей ШЦУ и т.д. Размеры всех изделий регламентируются ГОСТ 8691-73. Наиболее используемыми в частном строительстве являются кирпичи шамотные огнеупорные общего назначения. Состав и свойства кирпичей ША и кирпичей ШБ определяются ГОСТ 390-96. В промышленности их используют для кладки сводов печей с обедненной кислородом атмосферой с использованием нефти, горючих газов и пылевидных составов в качестве топлива. В быту из кирпича ША и кирпича ШБ выкладывают камины и топочные печи. Кирпич ША имеет более высокое содержание А1203 (30%) в сравнении с кирпичом ШБ (28%). Это обуславливает огнеупорность кирпича ША не ниже 1690 °С. В то время, как кирпич ШБ имеет огнеупорность 1650 °С при прочих равных показателях: пористости, предела прочности на растяжения и температуры начала размягчения в 1300 °С. Специфическая универсальность шамотного огнестойкого кирпича обусловила его высокую популярность и применение в различных областях промышленности и строительства. Сравнительная простота технологии изготовления и, вследствие этого, относительная дешевизна шамотного кирпича делают его выгодным и доступным материалом для кладки печей и каминов.
Марка кирпичей
Предел прочности кирпича при сжатии определяет его марку. Она обозначается буквой «М» и цифрой, обозначающей предел прочности кирпича на сжатие, определяемый отношением величины нагрузки, которую может выдержать кирпич (МН) до разрушения к площади поперечного сечения испытуемого изделия, выраженной в м2. Чаще всего встречаются кирпичи марок М-75, М-100, М-125, М-150, М-175, М-200, М-250, М-300. Кирпичи марок 75 и 100 вполне подходят для стен 2-3 этажного дома, марок 125 и выше - для стен многоэтажных зданий, марок 150 и выше - для укладки в землю (фундамент, цоколь), а из кирпичей марок 200 - 300 возводят фундаменты «высоток», поскольку нагрузка на нижние ряды кладки в этом случае очень велика. Марки относятся ко всем типам кирпичей, так что пустотелый лицевой кирпич марки 100 будет столь же прочен, как и полнотелый строительный той же марки. Предел прочности кладки на сжатие зависит не только от марки кирпича, но и от марки раствора, условий его твердения, а также от качества кладки (толщины и плотности швов).
Морозостойкость кирпичей
Одна из важнейших характеристик для кирпича морозостойкость, которая измеряется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания водонасыщенного изделия: чем больше циклов оно способно преодолеть, не изменив своих потребительских свойств, тем дольше прослужит в условиях нашего российского климата. Морозостойкость во многом зависит от степени водопоглощения материала: ведь влага, замерзая и оттаивая при перепадах температур, разрушает его структуру. Чем меньше влаги находится в порах керамики, тем выше показатель морозостойкости, тем прочнее кирпич. По нормам водопоглощение кирпича должно быть не менее 6 и не более 16%.
В технической документации морозостойкость обозначается буквой «F», а следующая за ней цифра говорит о количестве циклов, которые кирпич может выдержать. В Центральном регионе рекомендуется применять строительный кирпич с морозостойкостью не ниже 15-25 циклов, лицевой
· не ниже 50 циклов.
Качество кирпича
Главным показателем качества кирпича при визуальной оценке являются звук и цвет кирпича. При ударе он должен звенеть. Его сердцевина должна быть более насыщенного цвета, чем края. Если руководствоваться ГОСТом, то на поверхности качественного кирпича не должно быть трещин, отколов, пятен, выцветов, отбитых и притуплённых углов, также высолов
· белых пятен и разводов на поверхности. Так проявляется соль, попадающая в кирпич и кладочный раствор из грунтовой воды. Чтобы избежать этого явления, советуют не класть кирпич во время дождя, как можно быстрее подводить дом под крышу и покрывать фасад защитным составом. Высолы появляются от несоответствия типа раствора типу кирпича. Их компоненты, соединяясь, дают отрицательную реакцию.
Отдельного упоминания заслуживает клинкерный кирпич. Его получают в результате высокотемпературного обжига пластичных глин отборного качества до полного спекания, без включений и пустот. Благодаря особенностям сырья и специальным технологиям получается исключительно прочное, низкопористое, цвето-, износо- морозостойкое и, как следствие, долговечное изделие (при том, что химических добавок и красителей в сырьевой смеси нет). По данной технологии изготавливают кирпич различных форм, размеров и цветов («огненные» оттенки красного, сияющий желтый, белый, коричнево-голубоватый, оттенок «под старину и др.). Поэтому клинкер
· оптимальное решение для облицовки фасадов и ландшафтных работ: мощения дорожек, автомобильных парковок и подъездов к гаражам, лестниц, открытых террас, водостоков или внутренних двориков.

2. 2. Новая керамика, состав, свойства, технология производства и области применения
2.2.1. Керамический гранит или керамогранит
· одна из новейших технологий в керамическом производстве. Можно даже сказать, что керамогранит высшая стадия развития производства керамической плитки.
Керамогранит делают из смеси двух глин высокого качества, с добавлением кварца, полевого шпата и натуральных красящих пигментов. Смесь прессуют под высоким давлением, затем подсушивают и обжигают при высоких температурах (самых высоких, которые только применяются в керамической промышленности). Сырье при этом спекается, образуя монолит. Результатом процесса является получение чрезвычайно прочного, непористого материала с рисунком на всю глубину. Процесс производства керамогранита повторяет процесс рождения натурального природного камня в ускоренном виде, поэтому керамогранит можно рекомендовать как альтернативу натуральному камню - более дешевую и одновременно обладающую более высокими техническими характеристиками.
Самый распространенный вариант выпускаемого промышленностью материала
· керамогранит с зернистым рисунком на всю глубину плитки, похожий на натуральный камень.
Глазурование керамогранита позволило расширить его декоративные возможности. Сегодня керамогранит может имитировать любой природный камень, его рисунок или фактуру скола. Есть даже «античные» серии, в которых керамограниту придают следы потертостей, образующихся от длительного хождения по камню.
Керамогранит обладает очень низким водопоглощением - около 0,05%. Это самый низкий показатель среди всех керамических материалов и даже более низкий, чем у любого натурального камня, что позволяет использовать керамогранит для наружной облицовки зданий в любых климатических зонах.
Керамогранит обладает повышенной стойкостью к истиранию. Он относится к последней, самой высокой группе по устойчивости к износу и агрессивным средам. Поэтому этот материал просто незаменим в помещениях с интенсивным людским потоком (супермаркетах, аэропортах). Он также не меняет цвет и не выгорает на солнце. Керамограниты повышенной толщины можно укладывать на полу в промышленных цехах, где используется большегрузный транспорт.
2.2.2. Керамические материалы для изделий электронной техники
Керамическая технология применяется для изготовления изделий электронной техники, изготавливаемых из самых разных материалов, обладающих широким спектром свойств
· диэлектриков, полупроводников, магнитных, проводящих и сверхпроводящих материалов : оксидов, карбонатов, нитридов, силицидов, боридов, галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов и др. (BeO; MgO; Y2O3; Al2O3; Si3O4; Fe2O3; SiC; B4C; TiC; TiB2; BeO; TiN; BN и др.).
Схема технологических процессов получения изделий по технологиям оксидной керамики предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, изготовление из них компактных материалов, их обработку и контроль изделий.
От качества исходных компонентов существенно зависят свойства керамики, их однородность и воспроизводимость (неизменность всех показателей по составу и качеству изделий, изготавливаемых по одной технологии), что является необходимым условием при изготовлении изделий, используемых в электронной промышленности.
При производстве высококачественной керамики с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мм. Для их приготовления применяются различные методы, но все они сопряжены с большими энергозатратами.
При измельчении материалов механическим способом в них попадают железистые примеси, которые затем удаляют промывкой порошка раствором соляной кислоты, или же применяют электромагнитную сепарацию, гидравлическую сепарацию тяжелыми жидкостями и флотационное обогащения.
Основные компоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий электронной техники, представляют собой химические реактивы высокой чистоты, что обеспечивает стабильность химического состава и физико-химического состояния.
На рисунке 2.6. представлена схема процесса производства изделий электронной техники по керамической технологии на основе керамики BaTiO3 .
























Рис. 2.6. Схема технологического процесса производства изделий на основе керамики
BaTiO3
Для получения высокоплотной керамики размер частиц материалов, входящих в состав шихты должен быть не более нескольких микрометров. Сверхтонкая дисперсность измельченного материала (до размеров от 0,5 до 5 мкм) обеспечивает интенсивную активацию порошкообразных материалов, что приводит к существенному ускорению процессов твердофазного спекания керамики за счет протекания механохимических реакций.
Гранулометрический состав исходных материалов влияет на механические, физико-химические и термические свойства керамических изделий, особенно при их изготовлении из непластичных материалов. Повышение содержания крупных фракций приводит к увеличению пористости структуры изделия его рыхлости и, связанной с этим, термостойкости. Существенное влияние на свойства изготавливаемого керамического изделия оказывает процесс составления шихты, заключающийся в подборе необходимого соотношения и взвешивания исходных компонентов, тщательного их смешивания до получения однородной массы с удобной для формования консистенцией. Смешивание компонентов осуществляется механическими и химическими методами.
Механическое смешивание производят в лопастных, пропеллерных и бегунковых смесителях. Высокая однородность шихты достигается при совмещении операций измельчения (помола) и смешивания компонентов заданного состава.
Химическое смешивание основано на совместном осаждении компонентов (в виде гидратов или других соединений) из жидких растворов солей. Этот метод позволяет достигать максимальную однородность композиции при минимальном размере частиц каждой из соприкасающихся фаз, т.к. при использовании жидких растворов, т.е. систем, диспергированных (измельченных) до атомномолекулярного уровня, возможно превращение исходных компонентов в высокооднородный синтезированный продукт с наибольшей плотностью при относительно низких температурах и сроках выдержки.
Использование шихты, синтезированной из совместно осажденных гидроксидов, приводит к лучшей спекаемости керамики, стабилизации физико-химических свойств и улучшению ряда других технологических показателей.
Метод химического осаждения применяют в комбинации с другими методами, например, один из компонентов осаждается в суспензии другого (преобладающего) компонента. Преобладающий компонент в таком случае представляет собой подложку с развитой поверхностью, на которую осаждается второй компонент.
В том случае, когда невозможно осадить совместно все компоненты керамики сложного состава, используются способности химически осажденных компонентов эффективно взаимодействовать непосредственно с порошками неосаждаемых компонентов, с образованием твердых растворов. Во всех случаях, при использовании метода совместного осаждения наблюдается снижение температуры и расширения интервала температур образования соединений или твердых растворов при спекании, стабилизация электрических свойств при изменении режимов обжига и снижение диэлектрических потерь получаемой керамики.
Для регулирования технологических процессов производства и свойств керамики в состав массы вводятся следующие добавки.
Минерализаторы ( в пределах от 0,5 – 5%) – для интенсификации процессов обжига, подбираются в зависимости от состава получаемой керамики и механизма спекания это могут быть как водные неорганические глинистые материалы, так и водные органические растворы и суспензии различных полимеров ; неводные органические пластификаторы (неполярные жидкости, масла, смолы, парафин).
Для придания прочности керамической прессовке используют связующие вещества( поливиниловый спирт, парафин, искусственный воск, метилцеллюлозу, воду и др).
Для управления электрофизичекими свойствами керамики вводят модифицирующие добавки. Так, например, легирование применяется для получения полупроводниковой титансодержащей керамики. Добавка NbO5 к TiO2 приводит к появлению электронной проводимости. Одновременное введение NbO5 и Na2O или K2O в TiO2 позволяет получать полупроводниковую керамику при пониженных температурах ( на 100 – 200 K) за счет образования жидкой фазы при взаимодействии TiO2 с Na2O или K2O.
Для придания изделиям и заготовкам из керамики заданной формы и свойств применяют процессы формования и спекания.
Различают три основные группы методов формования:
прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит
уплотнение порошка и уменьшение пористости;
пластическое формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличивающими их текучесть;
шликерное (шликер
· литейная смесь, состоящая из предварительно синтезированного керамического порошка и термопластичной связки, способная плавится при повышении температуры и затвердевать при охлаждении) литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором используют жидкие суспензии порошков.
При переходе от прессования к пластическому формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий более простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной
· экструзии и шликерному литью.
Спекание основной этап керамической технологии, завершающий процесс образования керамического изделия и определяющий его основные механические и электрофизические свойства. Образующийся в результате спекания монолитный продукт (черепок) характеризуется определенной плотностью, формой и размерами кристаллитов, характером пористости, распределение примесей и микрокомпонентов, составляющих керамическую структуру материала, которая тесно связана с магнитными, электрическими и механическими свойствами.
Свойствами керамики можно варьировать в широких пределах, изменяя только керамическую структуру, определяемую режимом обжига при спекании. Режим обжига определяют на основе диаграммы состояния соответствующей системы, исходя из химического и гранулометрического составов шихты, размера и конфигурации заготовок. Таким образом, для каждого керамического изделия существуют свои оптимальные режимы, подбираемые экспериментально на основе знания физико-химических закономерностей процесса спекания.
Принципиальными недостатками керамики являются её хрупкость, низкая вязкость и пластичность, а так же склонность к трещинообразованию. Для повышения вязкости керамических материалов существуют два метода один из которых связан с традиционным совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания, а другой состоит в торможении роста трещин под нагрузкой, путем создания композиционной керамики, с включением в нее волокон состоящих изготовленных из карбида кремния SiС. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiС возрастает в 9 – 10 раз, существенно приближаясь к аналогичным показателям для металлов.
В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью, что позволяет использовать их в качестве элементов тепловой защиты, а также для изготовления режущих инструментов, деталей двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей и др.
В таблице 2.3. приведена характеристика основных типов оксидной керамики, классифицируемой по ее назначению. В первом столбце таблицы дано название типа керамики, во втором
· основные свойства, в третьем
· области применения и в четвертом
· компонентный состав.
Часто применяются совмещенные методы получения керамических изделий, сочетающие процессы формования и спекания, а в некоторых случаях
· синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.
Обработка и контроль качества изготовленных керамических изделий являются основными составляющими в балансе их себестоимости.
По имеющимся данным, стоимость исходных материалов, составление композиции шихты и предварительное формообразование составляют лишь 11% ( для металлов – 43%), на обработку приходится 38% ( для металлов – 43%), а на контроль качества – 51% ( для металлов – 14%).

Таблица 2.3.
Характеристика основных типов керамики

Тип керамики
Используемые свойства
Применение
Используемые соединения

1
2
3
4

Электрокерамика
Электропроводимость, электроизоляционные, диэлектрические, пьезоэлектрические
Интегральные схемы,
Конденсаторы, вибраторы, термисторы, транзисторы,зажигатели, нагреватели, батареи и др.

BeO; MgO; Y2O3; ZnO; Al2O3; ZrO2; SiC; B4C; TiC; CdS; Si3N; титанаты

Магнетокерамика
Магнитные свойства
Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты
Магнитомягкие, магнитотвердые

Оптокерамика
Прозрачность, поляризация, флуорисценция
световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы
Al2O3; MgO; Y2O3; ZrO2;SiO2;
TiO2; ZnS; CdS

Хемокерамика
Абсорбционная и адсорбционная способность, каталитическая активность коррозионная стойкость
Сорбенты, катализаторы и их носители, электроды(например, топливных элементов), датчики влажности газов
ZnO; Fe2O3; SnO; SiO2; MgO;
BaS; CeS; TiB2; ZrB2; Al2O3; SiC, титаниды

1
2
3
4

Ядерная керамика
Радиационная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, радиоактивность
Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглотители нейтронов
UO2; UC; US; ThS; SiC; B4C; BeO

Термокерамика
Жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, теплопроводность, коэффициент термического расширения, теплоемкость
Огнеупоры, тепловые трубы, футеровка высокотемпературных реакторов, электроды для металлургии, теплообменники, теплозащита
SiC; B4C; TiC; TiB2; ZrB2;Si3N4;
BeS; CeS;BeO; MgO; Al2O3; TiO2

Механокерамика
Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, термостойкость
Керамика для тепловых двигателей, уплотнительная, фрикционная и антифрикционная керамики,режущий инструмент, пресс-инструмент, износостойкие детали
Si3N4; ZrO2; SiC;
TiB2; ZnB2; TiC;
TiN; WC; B4C; Al2O3; BN

Сверхпроводящая керамика
Электропроводность
Линии электропередач, накопители энергии, интегральные схемы, электромобили
Оксидные композиции:
La – Ba – Cu – O;
La – Sr – Cu – O

К основным методам обработки керамики относятся термообработка и размерная обработка поверхности. Большинство керамических материалов с трудом поддается механической обработке. Поэтому, при изготовлении керамики применяются технологии, позволяющие получать практически готовые изделия в процессе формования и спекания, а затем доводить их поверхность до заданных параметров путем электрохимической, ультразвуковой, лазерной или абразивной обработки алмазными кругами. Для устранения мелких поверхностных дефектов применяются специальные защитные покрытия.
Контроль качества керамических изделий для электронной промышленности осуществляют методами ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии.


Вопросы и задания


Что понимают под термином «керамика»?
Что является основным сырьем для керамических изделий?
Какие вещества используются в качестве исходных компонентов в производстве керамики?
Как производят помол и перемешивание исходных компонентов?
Как называют «тело» керамического изделия?
Каковы разновидности структуры керамических изделий?
Какие керамические изделия относятся к пористым?
Какими свойствами обладает керамика со спекшейся структурой?
Какие изделия изготавливают со структурой грубой керамики?
Какие изделия изготавливают со структурой тонкой керамики?
Какими физико-химическими и технологическими свойствами должно обладать сырье для керамических изделий?
Какие факторы влияют на физико-химические свойства глин?
Какими свойствами обладают глины? Охарактеризуйте каждое свойство, влияющее на качество керамических изделий.
Какой состав имеют грубокерамические глины?
Как подразделяются глины по степени пластичности?
Из каких материалов изготавливают техническую керамику?
Назовите основные контролируемые показатели свойств керамических материалов и дайте их определение.
Каков фазовый состав керамических изделий? Дайте характеристику каждой фазы.
Какие показатели характеризуют прочность керамики?
На какие группы подразделяются строительные керамические материалы?
Приведите схему технологического процесса производства грубой керамики (на примере изготовления керамического кирпича с обжигом).
Опишите безобжиговую технологию производства кирпича.
В чем преимущества и недостатки обжиговой и безобжиговой (сухой) технологий производства кирпича?
По каким показателям определяется марка кирпича?
По каким признакам можно определить качество кирпича без использования испытательного оборудования (визуально)?
Опишите новейшие технологии керамического производства строительных материалов.
Какие материалы относятся к «новой» керамике?
Какие добавки для регулирования технологических процессов производства и свойств керамики вводятся в состав исходной шихты?
Рассмотрите особенности применения методов горячего литья для изготовления керамических заготовок.
Используя схемы производства грубой строительной керамики и новой технической керамики, приведенные на рисунках 2.5 и 2.6, найти общие и отличительные технологические приемы, применяемые в этих производствах.
Каким образом можно изменять свойства керамики не изменяя ее компонентного состава?
Каким образом можно снизить хрупкость керамики?
Какие свойства керамических материалов ставят их в один ряд с важнейшими конструкционными материалами?
Назовите области применения новой керамики, и дальнейшие перспективы ее использования.



Литература

Поляков А.А. Технология керамических радиоэлектронных материалов. – М.: Радио и связь, 1989, 200 с.
Химическая технология стекла и ситаллов / Под ред. Н. М. Павлушкина. – М.: Стройиздат, 1983, 432 с.
Гаршин А. Л., Горопянов В. Н., Зайцев Г. Л. , Семенова С.С. Машиностроительная керамика. – СПб.: Изд. СПбГТУ, 1997, 438 с.
Хокинг М., Васатасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства, применение / Пер. с англ. – М.: Мир, 2000, 259 с.
Лавров М.Т. Технологии производства стройматериалов. М.: Бумпромиздат, 2003, 218 с.
Новейшие технологии производства стройматериалов. Ляпустин ИЛ.// Новейшие технологии, № 12, 2003. С. 27

2. 3. Общие сведения о стекле
Стекло, твердый аморфный прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды Si, В, А1, Р и т. д.) и оксиды металлов (Si, K, Mg, Pb и т. д.). В отличие от других неорганических материалов, стекла не имеют упорядоченной структуры. Они аморфны, то есть построены из случайно расположенных в пространстве сетчатых структурных узлов (например, структурных групп SiO4, PO4, так называемых узловых центров), в которых размещены остальные составные части (например, ионы щелочных и щелочноземельных металлов, так называемые структуропреобразователи).
Наиболее распространено силикатное стекло.


2.3.1. Химический состав стекла.
Карбонат кальция, подобно соде, при сплавлении с песком взаимодействует с ним, образуя силикат кальция и двуокись углерода. При сплавлении с избытком песка смеси карбонатов натрия и кальция получают переохлажденный взаимный раствор полисиликатов кальция и натрия; это и есть обыкновенное силикатное (оконное) стекло. Главное свойство всякого стекла заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. Стекло аморфное вещество, т.е. атомы в них не образуют кристаллической решетки. Однако известная упорядоченность расположения атомов существует и в стеклах. Для плавленого кварца и силикатных стекол остаются в силе общие законы кристаллохимии силикатов: каждый атом кремния в них тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, но эти тетраэдры сочетаются друг с другом беспорядочно, образуя непрерывную пространственную сетку, в пустотах которой тоже беспорядочно располагаются ионы металлов (рис. 2.7.). Благодаря этому один "микроучасток" стекольной массы отличен по атомному строению от другого, соседствующего с ним. Этим и объясняется отсутствие у стекла постоянной точки плавления, постепенность перехода его из твердого в жидкое состояние и обратно. О стекле говорят как о материале, имеющем ближний структурный порядок.
Как материал стекло широко используется в различных областях народного хозяйства, В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла: оконное, посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строительное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие вид стекла технического. В пределах каждого вида стекла имеются самые разнообразные его сорта. В зависимости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определённые требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях.
Физико-химические свойства стекла определяются главным образом его составом.
Хотя в стеклообразное состояние можно перевести многие химические соединения, для технических целей приемлемы только лишь группы определенного химического состава. К ним относятся:
Оксидные стекла: Неоксидные стекла:
Силикатные стекла Фторидные
Кремниевое Сульфидные
Известково-щелочное Нитратные
Боросиликатное И т. д.
Свинцовое
Несиликатные стекла
Боратное
Фосфатное

Стекло, исходными компонентами шихты которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:
Na2CO3 Na2O+CO2
СаСО3 СаО+СО2
В результате в состав стекла входят оксиды SiO2; Na2O и СаО. Они образуют сложные соединения силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.
В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить К2О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl2O3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты В2О3 приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием.


Таблица 2.4.
Химический состав различных типов стекла
Тип стекла

Содержание оксидов, % масс.


SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
PbO

Строительное
70-73
1,5-2
8-10
3-4
14-15
-
-

Тарное
69-72
3-4
9-10
2-4
15-16
-
-

Хрусталь
55-77
-
-
-
-
10-13
30-35

Оптическое
47-65
-
-
-
-
6
45

Химическое
68-70
3-5
6-8
1-2
8-10
5-6
-


2.3.2. Физико – химические свойства стекла
Все вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии обладают несколькими общими физико-химическими характеристиками. Типичные стеклообразные тела:
1) изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;
2)при нагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и, наконец, в капельножидкое состояние, причем не только вязкость, но и другие свойства их изменяются непрерывно;
3)расплавляются и отвердевают обратимо. То есть выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновь приобретают первоначальные свойства (если не произойдет кристаллизация или ликвация.
Обратимость процессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются истинными растворами, ибо обратимость знак истинного раствора. Определение стекла как переохлажденной жидкости вытекает из способа получения стекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние его необходимо расплавить и затем переохладить снова.
Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры может происходить двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает виде стекла. По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако путь кристаллизации обычен только для тех веществ, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, вплоть до момента кристаллизации. К таким веществам, безусловно, можно отнести и оксид висмута, который в чистом состоянии практически не образует стекол, поэтому создание стеклообразующих систем на его основе долгое время было трудной задачей.
Сопоставление понятий "свойство-состав" стеклообразных систем показывает, что большинство свойств в первом приближении можно разделить на две группы - простые и сложные. К первой группе относятся свойства, находящиеся в сравнительно несложной зависимости от молярного состава и поэтому поддающиеся количественному расчету, например: молярный объем, показатель преломления, средняя дисперсия, термический коэффициент линейного расширения, диэлектрическая проницаемость, модуль упругости, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности.
Ко второй группе относятся свойства гораздо более чувствительные к изменению состава. Зависимость их от состава сложна и часто не поддается количественным обобщениям. Таковы: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность и др. Расчет этих свойств возможен лишь в частных случаях.
На свойства первой группы различные компоненты оказывают соизмеримое воздействие, которое можно выразить теми или иными критериями одного порядка.
Свойства второй группы в решающей мере зависят от концентрации щелочей или от концентрации каких либо других избранных компонентов.
Влияние состава на прочность стеклянных изделий, исключая стеклянное волокно, обычно трудно выявить, так как более важную роль играют другие факторы, обусловленные внешними воздействиями.
Приведём важнейшие свойства стекла.
Свойства размягченного и расплавленного стекла:
Вязкость: свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости другой.
Плавкость: практическая величина, характеризующая скорость размягчения стекла и растекания вязкого расплава по твердой поверхности при различных температурах. Плавкость представляет собой сложную функцию вязкости, поверхностной энергии на границах фаз, кристаллизационной способности, температуры начала кристаллизации и плотности состава.
Смачивающая способность: способность расплава по отношению к различным твердым поверхностям смаивать их, и характеризуется краевым углом смачивания и краевым углом растекания и отекания.
Молярный объем стекла равен отношению молекулярного состава стекла к его плотности. Так как молекулярный вес стекла зависит от способа исчисления состава стекла, то и молярный объем является величиной условной.
Оптические свойства стекла. Показатель преломления способность стекла преломлять падающий на него свет принято характеризовать посредством показателя преломления для желтого луча, испускаемого накаленными парами натрия.
Дисперсия это отношение показателя преломления, уменьшенного на единицу, к средней дисперсии.
Для производства керамических красителей очень важен показатель преломления. От него зависит, насколько сильно будет отражать видимый свет цветная пленка стеклообразного вещества находящаяся на поверхности керамического изделия, от этого будет зависеть и то, как декоративно это изделие будет выглядеть.
Механические свойства. Упругость свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Упругость характеризуют такие величины как модуль нормальной упругости, называемый также модулем Юнга, который определяет величину напряжений, возникающих в упруго деформированном теле под влиянием нагрузки при растяжении (сжатии).
Внутреннее трение стеклообразные системы, как и другие тела, обладают способностью поглощать механические, в частности, звуковые и ультразвуковые колебания. Затухание колебаний зависит от состава неоднородностей в стекле, и объясняется внутренним трением. Внутреннее трение силикатного стекла обусловлено собственными колебаниями Si-О каркаса и тех или иных структурных элементов и ионов между стабильными положениями равновесия.
Термические свойства. Термические свойства силикатных систем являются важнейшими свойствами как при изучении так и при изготовлении керамических и стеклянных изделий. Главными из термических свойств стекла и стеклоподобных систем можно назвать - термическое расширение стекла, теплопроводность и термостойкость.
Термическое расширение: оценивается истинным
·т, либо средними
·
·т коэффициентами расширения (к. т. р.).
Истинный
·т равен тангенсу угла наклона касательной, проведенной к экспериментальной кривой в точке соответствующей данной температуре.
На практике обычно пользуются средними коэффициентами
·
·т, измеренными в интервалах 20 - 100°, 20 - 400°, 20 - T°t.
Удельная теплоемкость: - истинная Ст и средняя С
·т определяются количеством тепла Q, требуемым для нагревания единицы массы стекла на 1°С.
Мерой термостойкости служит разность температур
·Т, которую выдерживает образец при температурном толчке без разрушений.
Главное влияние на термостойкость стекла оказывает коэффициент термического расширения а.
Химическая устойчивость. Высокая химическая устойчивость по отношению к различным агрессивным средам одно из очень важных свойств стекол. Однако, если рассматривать весь диапазон возможных стеклообразных систем, то их химическая устойчивость может различаться на несколько порядков от предельно устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого) стекла.
Следует подчеркнуть сложность процесса разрушения стекла в агрессивных жидкостях. Различают два основных вида явлений
· растворение и выщелачивание.
При растворении компоненты стекла переходят в раствор в тех же соотношениях, в каких они находятся в стекле. Многие стеклообразные стекольные системы растворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.
Процесс выщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами, исключая плавиковую. При выщелачивании в раствор переходят преимущественно избранные компоненты - главным образом, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, в результате чего на поверхности стекла образуется защитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к стеклообразователю.
Переход от выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой или с НС1, H2SO4, HNO3 и. т. п. в том случае, если стекло чрезмерно обогащено щелочами.
О химической устойчивости стекла чаще всего судят по потере массы образца после обработки в агрессивной среде в течении заданного промежутка времени. Потери выражаются в мг/см2. Более показателен метод избирательного определения компонентов, перешедших в раствор. При этом потери выражают числом молей каждого из оксидов, перешедших в раствор с единицы поверхности стекла.
Для характеристики химической устойчивости стекла в растворах в условиях высоких температур и давлений необходимо кроме потерь веса определять глубину разрушенного слоя и характер разрушенной поверхности

2.3.3. Виды стекла
Стекло оптическое прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой стептнью однородности. Содержат 46,4% РbО, 47,0% SiO и другие оксиды. Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 г. возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптических стекол. До 1914 г. производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916 г. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.
Стекло строительное изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.
Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров.
Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.
Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет.
Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен.
Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорасссивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теплоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 1215 мм.
Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлич. переплётами.
Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.
Стекло кварцевое содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп ("горное солнце"), применяемых в медицине и др.
Стекло органическое (плексиглас) прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях и др.
Стекло растворимое смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силикагеля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.
Стекло химико-лабораторное стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.
Стекловолокно искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.
Большое внимание уделяется развитию производства новых силикатных материалов – ситаллов, представляющих собой стеклокерамику, в которой количество стекловидной фазы колеблется в пределах 40-95%. Ситаллы обладают важными техническими свойствами: высокой термической стойкостью, большой механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Ситаллы получают плавлением керамических материалов по специальному режиму, обеспечивающему их структурные и физико-химические свойства.
Ситаллы можно изготовлять из огненно-жидких шлаков металлургической промышленности, что имеет большое народнохозяйственное значение.
Ситаллы используются для изготовления многих строительных материалов (панели, плиты для настила полов и лестниц, трубопроводы, сантехнические изделия и др.)
Стекло как строительный материал находит все большее применение. Увеличивается выпуск стеклоизделий для радио – и телевизионной промышленности, электротехники и электроники. Совершенствуются машины и аппараты для производства стекла и изделий из него. Увеличивается мощность стекловарочных печей, уменьшается расход топлива. Увеличение производства стекловолокна, стеклотканей и стеклопластиков на их основе позволит широко применять их в авиа-, авто- и машиностроении.
2.3.4. Технология варки стекла
Сырьевые материалы, используемые для производства стекла делятся на две группы: главные и вспомогательные. Материалы, содержащие компоненты, образующие основу стекла и определяющие его основные свойства относятся к главным (см. табл. 2.5.). Материалы, содержащие компоненты, позволяющие придавать стеклу дополнительные свойства и ускоряющие его варку относятся к вспомогательным (красители, глушители, осветлители, обесцвечиватели, ускорители, окислители и др). Например, соединения марганца, кобальта, никеля используются как красители, церия, мышьяка, сурьмы, неодима как обесцвечиватели и окислители, фтора, фосфора, олова, циркония как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др.
По происхождению материалы подразделяются на природные и синтетические. Синтетические материалы значительно чище по химическому составу, чем природные, но их себестоимость значительно выше. Синтетические материалыиспользуют для изготовлений стекол, используемых в электронной технике, где качество сырья полностью определяет качество и технические характеристики изделия.
Таблица 2.5.
Главные сырьевые материалы для изготовления стекол и виды их применения

Название и химический состав главных сырьевых материалов
Вид применения

Песок SiO2


Глинозем Al 2O 3
Получается из бокситов, каолина или в виде минералов. Применяется для изготовления окрашенных стекломасс.

Оксид кальция CaO
В основном в виде CaCO3 , глинистых известняков или доломита

Магнезия MgO
В виде MgCO3 , чаще всего в виде доломита

Оксид бария BaO
В виде BaCO3 или BaSO4

Оксид свинца PbO
Чаще всего в виде Pb3O4


Оксид натрия Na 2 O
В виде соды, сульфата, нитрата или каменной соли

Оксид калия K 2 O
В виде нитрата, сульфата или поташа

Полевой шпат CaF2


Белый мышьяк As2 O3


Оксид цинка ZnO
Получается из цинковой обманки или цинкового шпата.

Стекловарение. Стекловарением называется термический процесс, в результате которого смесь различных компонентов определенного состава образует однородный расплав. Это сложный процесс, протекающих в широком температурном интервале, в котором между компонентами шихты происходят различные физико-химические взаимодействия, в результате которых образуется жидкая стекломасса.
При варке, например, силикатных стекол, различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).
Для облегчения протекающих при плавлении реакций и ускорения процесса химической и физической гомогенизации стекломассы, все сырье должно быть высушено, измельчено и интенсивно перемешано. Эти операции производятся в подготовительных цехах, оборудованных сушильными печами, сушильными мельницами, валковыми дробилками, шаровыми мельницами и перемешивающими устройствами. В перемешивающих устройствах, предварительно измельченные до монодисперсного состояния, компоненты состава для варки стекла смешиваются в течение продолжительного времени. Для ускорения плавления полученной смеси также добавляют стеклянный бой того же состава. Для улучшения процесса плавки, уменьшения пылеобразования и расслоения стекломассы, в полученную смесь добавляют некоторое количество воды. Подготовленная смесь в виде брикетов, либо в порошкообразном состоянии с помощью транспортера подается в плавильную печь.
Процесс силикатообразования происходит при сравнительно невысоких температурах и не требует длительных выдержек. На этапе силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, протекают реакции в твердой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при температуре 1100- 1200
·C.
На этапе стеклообразования растворяются остатки шихты и удаляется пена расплав становится прозрачным; эта стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1500 – 1600
·C. Собственно стеклообразованием называется процесс растворения остаточных зерен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование и составляет почти 90% от времени, затрачиваемого на провар шихты и около 30% от общей длительности всего процесса стекловарения.
На стадии осветления, протекающей при температуре 1500 – 1600
·C , из стекломассы удаляются газы. Для ускорения этого процесса вводятся осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы. Одновременно с осветлением идет процесс гомогенизации – усреднение стекломассы по составу путем ее механического перемешивания.
Последняя стадия стекловарения охлаждение стекломассы («студка») до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700 – 1000
·C.
В настоящее время для варки стекла используются печи-ванны, размеры поверхности плавления которых существенно превосходят их глубину (длина печи около 60 м, ширина около 10 м , а глубина менее 1,2 м).
В непрерывно действующие установки с одного конца загружается смесь, которая расплавляется в горячей стекломассе. В процессе медленного течения расплава вдоль ванны производится его осветление, дегазация и гомогенизация. Дойдя до противоположного конца ванны, расплав полностью готов к последующей переработке. В таких стекловаренных печах стадии варки протекают в определенных зонах при последующем перемешивании расплава по длине печи. В варочной части печи совмещены зоны варки, осветления и гомогенизации , а в выработочной части зона «студки» и выработки. Рассмотренное разделение процесса стекловарения на пять этапов является условным. В реальных условиях эти этапы стекловарения накладываются друг на друга и разделить изх не всегда возможно.
Пороки стекла
Пороками стекла называют инородные включения, ухудшающие качество изделий из стекла. Выделяют три основных вида пороков: газовые, стекловидные и кристаллические.
Газовые проки представляют собой включения в виде газовых пузырей различного размера и формы, заполненных различными газами, такими, например, как CO2 , SO2 , O2 и др. Наличие пузырей в стеклянных изделиях ухудшает их прозрачность, химическую устойчивость и механическую прочность.
Стекловидные включения представляют собой включения стекла другого состава, в виде нитей или других форм и отличаются от основной стекломассы плотностью, коэффициентом преломления, а в отдельных случаях и цветом. Причина появления данного порока заключается , как правило, в нарушении технологий подготовки шихты (плохое перемешивание, нарушение химического состава, растворение огнеупоров стекловаренной печи и смешивания их со стекломассой и др.)
Кристаллические включения в стекле образуются в результате кристаллизации стекломассы, попадания в нее частиц огнеупоров футеровки стекловаренной печи, непровара компонентов шихты и др.
Для снижения порокобразования необходимо тщательно разрабатывать и контролировать технологический процесс варки и выработки изделий из стекла, т.е. соблюдать технологическую дисциплину и повышать культуру производства.

2.3. Вяжущие вещества на основе силикатов
  Жидкие стекла. Под силикатными вяжущими понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия, характеризующиеся определенным содержанием и соотношением оксидов M2O и SiO2, где М - это Na и К, а мольное соотношение SiO2 /M2O составляет 2,6-3,5 при содержании SiO2 69-76 масс. % для натриевого стекла и 65-69 масс.% - для калиевого стекла.  Растворимые силикаты натрия и калия являются продуктами производства стекольных заводов. Общий объем производства жидких стекол превышает 700000 т. в год.  
Силикаты натрия и калия и их водные растворы (жидкие стекла) можно использовать по трем главным направлениям. Первое направление связано с проявлением жидким стеклом вяжущих свойств, второе - использование в качестве клея, третье - основано на его химических свойствах, которые определяют целесообразность их применения в качестве моющих средств.
Жидкие стекла характеризуются широким диапазоном составов, а, следовательно, и свойств. Так как по мере уменьшения показателя щелочности от высокощелочных систем до золей кремнезема происходят принципиальные изменения физико-химической природы этих растворов, связанные, в частности, с появлением в системе высокополимерного кремнезема в коллоидной форме.
Жидкие стекла, выпускаемые промышленностью, представляют собой густые вязкие прозрачные жидкости без видимых механических включений и примесей. Жидкое стекло может быть бесцветным, однако, в большинстве случаев оно окрашено примесями в слабо-желтый или серый цвет.
Химический состав промышленного жидкого стекла определяется в основном составом исходных стекловидных щелочных силикатов.
Основным способом промышленного производства жидкого стекла является автоклавное растворение в воде щелочно-силикатных твердых стекол (растворимого стекла – силикат - глыбы) состава Na2O* SiO2, K2O *n SiO2 и K2O* Na2O* SiO2 (дуплекс-процесс).
Второй способ получения жидких стекол включает прямое растворение кремнеземсодержащих компонентов в едких щелочах с получением требуемых щелочно - силикатньх растворов (жидких стекол) в один этап на одном технологическом переделе.
Кремнеземсодержащим компонентом для производства растворимых силикатов калия и натрия является кварцевый песок - тонкообломочная порода, состоящая преимущественно (> 96%) из зерен кварца с размером частиц 0,15-0,3 мм. Примесями кварца в песке являются минералы глин (каолинит, монтмориллонит и др.), щелочные алюмосиликаты (полевые шпаты, слюда и др.), железосодержащие минералы, карбонатные примеси. Для производства силикат - глыбы вредными примесями в песке являются минералы, повышающие сверх установленных пределов содержание в щелочно-силикатном стекле таких компонентов химического состава как Al2O3; Fe2O3 ; СаO . Ограничения по содержанию в стекле примесей связаны с их отрицательным влиянием на процессы растворения силикат - глыбы в воде при производстве жидкого стекла. Кварцевый песок, используемый для получения силикат – глыбы, должен соответствовать требованиям ГОСТ 22551-77. В большинстве случаев этому стандарту удовлетворяют природные пески без специального обогащения, однако иногда требуется обогащение местных песков , например, их промывкой для снижения содержания Fe2O3 .
Щелочесодержащими компонентами для производства содовой, содово-сульфатной и калиевой силикат - глыбы являются соответственно сода, сульфат натрия и поташ.
Для производства содовой силикат - глыбы применяется сода кальцинированная (безводная) Na2CO3 по ГОСТ 5100-85Е; для содовосульфатной силикат -глыбы - сульфат натрия Na2SO4 в смеси с содой.
Жидкие стекла широко используются в качестве связующего при производстве высококачественных лакокрасочных материалов.    Чаще всего применяют высокомодульное калиевое стекло. Это существенно повышает водостойкость покрытий, по сравнению с использованием натриевого стекла.
В основном силикатные материалы можно условно разделить на 4 группы:
1) двухкомпонентные, состоящие из сухих составляющих и жидкого стекла; 2) однокомпонентные ( чисто силикатные) с незначительным сроком хранения; 3) дисперсно-силикатные, содержащие до 5% дисперсий; 4) двухкомпонентные, состоящие из пигментной пасты с добавками и модифицированного жидкого стекла.
Двухкомпонентные силикатные краски с сухой пигментной частью давно применяются для отделки фасадов зданий. Однако, из-за грубой дисперсности "суховья" и необходимости доведения жидкого калиевого стекла до требуемой плотности непосредственно на объекте, качество красок не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным отделочным материалам.
Главное достижение последних четырех десятилетий в области малярной отделки в строительстве - создание и повсеместный переход от традиционных лакокрасочных материалов на натуральных маслах и органических растворителях к водным (водоэмульсионным, латексным) краскам на синтетической основе.
В настоящее время ведутся работы по созданию рецептур силикатных красок нового поколения, где жидкое стекло является частью серии водорастворимых силикатов.
Цемент. Название этого вяжущего вещества происходит от латинского слова caementum, что в переводе означает щебень, битый камень. Фактически, слово цемент является собирательным понятием, объединяющим различные виды вяжущих материалов. Получают их путем обжига некоторых видов горных пород с последующим их измельчением до порошкообразного состояния. В кратком справочнике технолога цементного завода, изданного в 1974 году дается определение понятия цемента как «собирательное название искусственных неорганических порошкообразных материалов, преимущественно гидравлических, обладающих способностью при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывать пластическую массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело». Под данное определение подходят и вяжущие вещества, применяемые еще древними прорабами, строившими пирамиды, мавзолеи, Великую китайскую стену и др. сооружения древности, дошедшие до нашего времени. Первыми искусственными вяжущими материалами были гипс и известь. Позднее в качестве вяжущих веществ использовались известковые растворы с добавлением измельченных вулканических пород романоцемет, применявшийся в древнем Риме или слабообожжённого кирпича –цемянки (в Киевской Руси). Эти вяжущие уже обладали способностью твердеть не только на воздухе, но и в воде. В 1796 году Дж. Паркером был получен патент на гидравлическое вяжущее (романоцемент), изготавливаемый путем измельчения предварительно обожжённых природных мергелей. В 1824 году Дж. Аспдин в Англии и в 1825 году У.Г. Челиев в России независимо друг от друга создали портландцемент, получаемый обжигом до спекания искусственной смеси известняка и глины, взятых в определённых пропорциях. Данная технология получения цемента применяется во всем мире до сих пор.
Большой вклад в развитие теории и практической реализации современных технологий производства цементов, обладающих высокими физико - механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами внесли труды российских ученых А.Р. Шулячен6ко, Н.А. Белелюбского, И.Г. Малюги, Н.А. Лямина, В.И. Черноморского, А. А. Байкова, В. А. Кинда, В. Н. Юнга, П. П . Будникова.
Благодаря их разработкам в России создано мощное цементное производство, продукция которого практически полностью вытеснила из строительной практики цементы иностранного производства.
Разновидности портландцементов. Цемент – это главная составная часть бетона. Бетон будет тем прочнее, чем выше клеящаяся способность цемента и чем сильнее он сцепляется с поверхностью наполнителя, в качестве которого используются такие материалы, как песок, гравий , щебень, пемза, туф, вулканические шлаки и др.
Для приготовления бетонных, железобетонных изделий и конструкций применяют различные цементы. Выбор вида цемента зависит от типа сооружения, для которого изготовляется бетон. В России выпускается свыше 30 видов цемента. Основные из них – портландцементы, шлакопортландцементы, пуццолановые портландцементы, глиноземистые цементы и другие.
Портландцемент гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.
В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 1) и небольшое количество стеклообразного вещества.
Таблица 2.6.
Минеральный состав портландцементного клинкера

Минерал

Формула
Количество, %

Трехкальциевый силикат (алит)
ЗСаО
SiO2(C3S)
42...65

Двухкальциевый силикат (белит)
2СаО
SiO2(C2S)
12...35

Трехкальциевый алюминат
ЗСаО
А1;:Оз(СзА)
4...14

Четырехкальциевый алюмоферрит
4СаО
А12ОзFe2O3(C4AF)
10...18


*В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов.

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80 %) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.
Для удовлетворения требований современного строительства к цементам промышленность на основе портландцементного клинкер выпускает различные виды портландцемента.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается быстрым ростом прочности в первые дни твердения. Выпускают БТЦ двух марок: 400 и 500, которые в трехсуточном возрасте должны иметь предел прочности при сжатии соответственно не ниже 25 и 28 МПа.
В составе БТЦ преобладают активные минералы: трехкальциевый силикат
C3S 55 % и трехкальциевый алюминат C3А 5... 10 %. Тонкость помола у БТЦ выше, чем у обычного портландцемента (удельная поверхность до 5000 см2/г), поэтому при хранении он, впитывая пары воды из воздуха, комкуется и быстро теряет активность. БТЦ применяют для бетонов сборных конструкций с повышенной отпускной прочностью и монолитных конструкций. Коррозионная стойкость у БТЦ пониженная.
Пластифицированный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофильные поверхностно-активные вещества (например, сульфитно-спиртовую барду ССБ) в количестве 0,15...0,25 %. Такой цемент повышает пластичность бетонных и растворных смесей по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды. Это позволяет уменьшить расход портландцемента, повысить прочность и морозостойкость бетонов и растворов.
Гидрофобный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофобные поверхностно-активные вещества ПАВ (0,05...0,5 % от массы цемента), образующие на зернах цемента водоотталкивающие пленки. В качестве таких добавок используют главным образом отходы переработки нефти (мылонафт, асидол).
Гидрофобный портландцемент благодаря наличию защитных пленок при хранении и транспортировании даже во влажных условиях не намокает, не комкуется и почти не теряет своей активности.
При перемешивании гидрофобного цемента с водой и заполнителями ПАВ сдирается с цементных зерен и переходит в состав бетона или раствора. Поэтому бетонные и растворные смеси на гидрофобном цементе отличаются повышенной пластичностью, а после затвердевания повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью.
Применяется гидрофобный цемент в тех случаях, когда трудно обеспечить необходимые условия хранения обычного цемента.
Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого силиката C3S (не более 50 %) и трехкальциевого алюмината СзА (не более 5 %). При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне гидросульфоалюмината кальция («цементной бациллы») и тем самым повышается стойкость бетона к сульфатной коррозии. Кроме того, сульфатостойкий цемент характеризуется пониженным тепловыделелением при твердении. Сульфатостойкий цемент выпускают марок 300, 400, 500.
Белый портландцемент получают из белых каолиновых глин и чистых известняков или мела с минимальным содержанием окислов железа, марганца и хрома. В таком цементе практически нет алюмоферрита кальция C4AF, имеющего серо-зеленый цвет. На основе белого цемента и щелочестойких пигментов (сурика, ультрамарина и др.) получают цветные цементы. Марки таких цементов 300, 400 и 500. Применяют белый и цветные цементы для отделочных работ.
При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.
Цементный клинкер энергоемкий в производстве и дорогостоящий продукт. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо, его заменяют более дешевыми природными продуктами или промышленными отходами. К таким смешанным цементам относятся шлакопортландцемент и пуццолановый цемент.
Шлакопортландцемент получают путем совместного помола доменного гранулированного шлака (21...80 %), портландцементного клинкера (79...20 %) и гипса (не более 5 %).
Доменный шлак отход производства чугуна (на 1 т чугуна приходится около 0,6 т шлака), поэтому шлакопортландцемент экономически выгоднее, чем портландцемент. Выпуск шлакопортландцемента в России составляет около от общего выпуска цемента. Химический состав доменного гранулированного шлака близок к составу клинкера. К самостоятельному твердению шлак не способен, но в присутствии портландцемента и гипса он проявляет вяжущие свойства.
Шлакопортландцемент выпускают трех марок: 300, 400 и 500. По коррозионной стойкости и водостойкости он превосходит обычный портландцемент, но твердеет несколько медленнее и при этом выделяет меньше теплоты. Недостаток шлакопортландцемента пониженная по сравнению с обычным портландцементом морозостойкость.
Пуццоланоеый портландцемент получают либо путем совместного помола портландцементного клинкера (79...60 %), активной минеральной добавки (21...40 %) и небольшого количества гипса, либо тщательным смешиванием этих же компонентов, после предварительного измельчению каждого компонента в отдельности.
Пуццолановые цементы отличаются низким тепловыделением при твердении и пониженной скоростью твердения. Морозо- и воздухостойкость пуццолановых цементов ниже, чем портландцемента. Пуццолановый портландцемент выпускают марок: 300 и 400.
Пуццолановый портландцемент применяют для гидротехнического строительства, а также для подземных и подводных сооружений. Пуццолановый портландцемент еще в большей степени, чем шлакопортландцемент, требует увлажнения во время твердения.
Еще один вид цемента – это глиноземистый. Глиноземистый цемент быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноаллюмината кальция (СаО
· А12О3). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А12О3 «глинозем».
Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО 35...45 %; A12O3 30...50 %; Fe2O3 0...15 %; SiO2 5... 15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает однокальциевый алюминат СаО
· А12О3 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют алюминаты СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением, и в качестве неизбежной балластной примеси геленит - 2СаО
· А12О3
· 2SiO2.
Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимних работах и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость.
Специальная область использования глиноземистых цементов жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в продуктах твердения этого цемента нет Са(ОН)2, и, во-вторых, при температуре 700...800° С между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал (опасность присутствия Са(ОН)2 заключается в том, что при нагреве он переходит в СаО, который при любом контакте с водой гасится, разрушая при этом бетон). Благодаря своим свойствам глиноземистый портландцемент применяют: для футеровки некоторых частей плавильных, нагревательных и термических печей; для быстрого восстановления повреждённых промышленных зданий и мостов; для аварийной заделки пробоин в судах морского транспорта; при монтаже линий электропередач; для шахтостроения, строительства подземных сооружений; для горнодобывающей промышленности; для зимних бетонных работ; для скоростного тампонирования холодных нефтяных скважин; для индивидуальных ремонтных работ (при кладке каминов, футеровки печи, восстановлении труб дымохода и т.п.).
Типовой технологический процесс производства цемента. Наилучшим сырьём для получения портландцемента является мергель осадочная горная порода, переходная от известняков и доломитов к глине. Именно мергель называют натуральным цементом и используют для изготовления «чистого» (без добавок) портландцемента. Производственная технология довольна прост : размол руды (мергеля) в каменную муку, составление сырьевой смеси, обжиг смеси и получение спеченных гранул (клинкера), а затем его тонкий помол. Варьируя компоненты при составлении сырьевой смеси, путем введения в ее состав различных добавок и, подбирая необходимые режимы обжига, получают цементы более 30 видов. Получать портландцементы можно тремя способами:«мокрым», :«сухим» и «комбинированным».
Выбор способа производства портландцемета определяется видом используемого сырья, имеющего различные физико-механические и технологические характеристики.
При мокром способе исходное сырьё измельчают в мельнице, дробят, затем погружают в бассейн, размешивают и в виде полужидкой массы шлама, подают во вращающуюся печь диаметром более семи и длиной более двухсот метров. Шлам стекает навстречу горящим газам, образующимся при сгорании топлива, высыхает, освобождается от углекислоты и в виде ноздреватых спекшихся шариков (клинкера), подается в шаровую мельницу, где размалывается в тонкий порошок. Во время помола в шаровую мельницу вводится небольшое количество гипс, для замедления времени схватывания цемента, а также до 15% активных минеральных добавок или гранулированных доменных шлаков для улучшения свойств
цемента.
Сухой способ заключается в том, что сырьевые материалы перед помолом или в его процессе высушиваются и сырьевая шихта выходит в виде тонкоизмельченного сухого порошка. Размолотое в порошок сырье подается навстречу горящим газам, при этом способе происходит существенная экономия топлива, так как не требуется затрат энергии на испарение воды.
Комбинированный способ сочетает оба рассмотренных способа в двух видах. В первом случае сырьевую массу готовят в виде шлама по мокрому способу, затем ее обезвоживают на фильтрах до влажности 16 – 18 % и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Во втором случае используют сначала сухой способ подготовки сырьевой смеси, а затем добавляют от 10 до 14 % воды, гранулируют и подают на обжиг. Каждый из способов производства цемента требует определенный вид оборудования и строго определенную последовательность операций.
Каждый из рассмотренных способов имеет свои преимущества и недостатки. При мокром способе производства снижаются затраты электроэнергии на помол, транспортирование и усреднение (перемешивание до однородного состояния) сырьевой массы. Главным недостатком мокрого способа является повышенный расход топлива.
При сухом способе снижается расход топлива и повышается производительность печей, однако существенно возрастает потребление электроэнергии, а также предъявляются более жёсткие требования к составу сырья ( в частности, по ограничению содержания в сырье щелочей и хлора)..
Наличие у разных способов, как преимуществ, так и недостатков привело к их параллельному развитию и совершенствованию. Преобладание того или иного способа производства определяется технико-экономическими особенностями развития промышленности в разных странах, наличии тех или иных сырьевых ресурсов.
На рисунке 2.8. приведена типовая технологическая схема производства цемента мокрым способом.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 2.8. Типовая технологическая схема производства цемента мокрым способом
Мел и глина добываются в карьерах экскаваторами. Исходная влажность глины до 20, а мела до 29 %. Глина грузится в автосамосвалы и подается к глиноболтушкам для приготовления глиняного шлама. Подготовленный глиняный шлам из преёмника насосом перекачивается в вертикальные бассейны сырьевого цеха.
Мел с помощью экскаватора грузится в думпкары (полувагон с кузовом прямоугольной формы с пневматическим устройством для разгрузки). Думпкары имеют двухсторонние пневмотолкатели для сталкивания мела в бункер. Из бункера мел с огарками по транспортёру поступает в мельницу самоизмельчения (гидрофол). Туда же подаются глиняный шлам (сметанообразная масса, скорректированная до необходимого состава), вода и ЛСТ (лигносульфанат технический) в количестве 0,01 %. Эти добавки вводятся для интенсификации процесса помола. Приготовленная однородная масса подаётся в вертикальный бассейн, а из него в сырьевую мельницу для помола. Готовый шлам перекачивается в вертикальные шламобассейны для его корректировки. Откорректированная до необходимого состава и консистенции сырьевая масса подается насосами в горизонтальные бассейны, а оттуда, через шламовый питатель, перекачивается в печи для обжига до спекания. Обжиг и спекание сырьевой смеси происходит при температуре 1450 – 1550
·C.
Количество подаваемого в печи сырья регулируется контрольным баком, скорость наполнения которого зависит от числа оборотов печи и от текучести шлама.
Контроль качества шлама осуществляется в лаборатории. Спечённый шлам (клинкер) с температурой 1250
·C поступает в шахту холодильника (колосникового или рекуператорного) и резко охлаждается. При использовании колосникового холодильника клинкер охлаждается до температуры 90
·C, а рекуперативного до 400
·C. Из холодильника клинкер, с добавленными к нему мелом и доменными шлаками, по транспортеру отправляется на склад и далее, с помощью грейферного крана, в бункера цементных мельниц.
Транспортровка готового цемента в цементные силоса ( железобетонные емкости диаметром около десяти и высотой до тридцати метров) производится пневмонасосами. Отгрузка цемента из цементных силосов производится в бункер для погрузки в автотранспорт или железнодорожные вагоны. Упаковка цемента в бумажные мешки ( 50 кг) производится с помощью специальных упаковочных машин.
Контроль качества готового цемента осуществляется на основе требований соответствующих ГОСТов, которыми регламентируются методы физико-механических испытаний при определении свойств цемента.
По прочности цемент делится на марки, а марка определяется пределом прочности при изгибе образцов призматической формы размером 40 х 40 х 160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементного раствора состава 1 : 3 ( по массе) с нормальным (кварцевым) песком (срок твердения образцов в воде 28 суток с момента изготовления). Установлены марки цемента от 300 до 700.
Цемент один из важнейших строительных материалов, используемых при производстве бетонов разнообразного состава и свойств, различных строительных растворов, деталей строительных конструкций и т.п. Потребности в этом исключительном связующем материале непрерывно растут, что обусловливает интенсивное развитие цементной промышленности в нашей стране и во всем мире.
Технологии цементного производства позволяют использовать в нем отходы и побочные продукты добывающих и металлургических отраслей промышленности, создавать безотходные и малоотходные промышленные комплексы, комбинируя производство цемента с металлургическим и химическим производством.
Создание гибких технологий на основе комплексного подхода в организации промышленного производства приведет к существенному снижению энергоёмкости продукции, производимой такими комплексами, существенно снизит загрязнение окружающей среды отходами производства.



Вопросы и задания для повторения
Что называется стеклом?
Основные компоненты, входящие в состав стекла.
Разновидности стёкол.
Химический состав наиболее распространенных видов стекла.
Основные физико-химические свойства стекла.
Какие свойства стекла относятся к простым?
Какие свойства стекла относятся к сложным?
Основные виды стекла.
История развития стекловарения.
Технология варки стекла и этапы стекловарения.
Виды оборудования, применяемого в стекловаренном производстве.
Описать процесс силикатообразования.
Составить типовую технологическую схему стеклопроизводства.
Основные пороки стекла и их характерные признаки.
.Состав и основные свойства вяжущих веществ на основе силикатов.
Области применения силикатных вяжущих материалов.
Что понимают под термином цемент?
Какие разновидности связующих материалов использовали строители в древности?
Из чего состоит романоцемент?
Кем и когда создан портландцемент?
В чем принципиальное отличие романоцемента от портландцемента?
Что представляет собой клинкер?
Что входит в состав клинкера?
Какие наиболее распространённые виды портландцементов выпускаются промышленностью?
Назовите способы получения портландцементов?
Какой из способов получения портландцемента наиболее экономичен и почему?
Опишите технологическую схему производства цемента сухим способом.
Опишите технологическую схему производства цемента комбинированным способом.
В чем преимущества и недостатки каждой из рассмотренных технологических схем производства цемента?
По какому принципу выбирается способ производства портландцемента?
Как определяется качество цемета?









13PAGE 15


13PAGE 146815



11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Тонкое измельчение

Среднее измельчение

Улавливание металлических включений

Грубое измельчение

Транспортировка глины и песка в зал шихтоприготовления

Дозирование сырья

Загрузка глины и песка в ящичные питатели

Рассев песка

Завоз с карьера песка, выгрузка в глинозапасник и осмотр на предмет отсутствия посторонних включений


Завоз с карьера глины, выгрузка в глинозапасник и осмотр
на предмет отсутствия посторонних включений

Открытое складирование разрабатываемой
глины и песка в отвалы

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

Выгрузка и транспортировка сухого полуфабриката из сушильных камер

Сушка кирпича-сырца

Транспортировка нарезанного кирпича-сырца
в сушильные камеры

Накопление нарезанного кирпича-сырца

Высадка нарезанного кирпича – сырца на полеты

Резка кирпича

Маркировка

Придание формы

Подача шихты в зону формовки

Создание запаса обработанной шихты

Обработка паром и водой, интенсивное перемешивание прессуемой массы

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

Транспортировка упакованных поддонов к окну выгрузки

Обмотка поддонов с кирпичом полиэтиленовой пленкой

Классификация кирпича по категориям качества

Разгрузка обожженного кирпича с вагонеток обжига на поддоны

Выход вагонеток из туннельной печи

Охлаждение обожженного кирпича

Обжиг сухого полуфабриката

Предварительный нагрев сухого полуфабриката

Подача вагонеток в печь обжига

Высадка сухого полуфабриката на вагонетки обжига

Расфасовка сухого полуфабриката

Накопление сухого полуфабриката

Рис. 2.3. Подача высушенного кирпича на обжиг

Рис. 2.2. Сушильная камера

Рис. 2.1. Нарезанный кирпич перед сушкой



Рис. 2.4. Выгрузка обожженного и остывшего кирпича

1

2

3

Пьезоэлементы

Прочее

Спекание

Обработка (шлифование, металлизация и др.)

В случае технологии с двукратным обжигом

Предварительный обжиг

Конденсаторы

Контроль и разбраковка

Вторичный помол

Смешивание

Гранулирование

Формование заготовок

Обезвоживание и сушка смеси

Расчет химического состава и взвешивание компонентов

Приготовление связки

Помол

Смешивание

Анализ исходных компонентов

Минерализатор

TiO2

BaCO3

13 EMBED MSPhotoEd.3 1415

- Si; - O2; - Na

Рис. 2.7. Схема строения стекла

Рис. Схема строения стекла

Карьер мела

Сырьевой склад

Карьер глины

Экскаватор

Железосодержащая добавка

Экскаватор

Железнодорожные плотформы

Автосамосвал

Глиноболтушка

Вода

ЛСТ

Трубопровод глиняного шлама

Гидрофол

Бассейны сырьевого цеха

Корректировочные бассейны

Горизонт. бассейн готового шлама

Вращающаяся печь

Холодильник

Транспортёр

Клинкерный склад

Грейферный кран

Цементные мельницы

Пневмотранспорт

Тарирование в бумажные мешки

Железнодорожные вагоны

Автоцементовоз

Газ

Отходящие газы

Гипс

Доменный шлак

Цементные силоса

Сырьевая мельница

Вода



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 15452221
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий