Строительные материалы

Вулканический туф - пористая горная порода, состоящая из вулканического пепла, уплотненного и сцементированного. Туфы имеют разнообразную окраску: розовую, оранжевую, красную, коричневую и др. Они характеризуются значительной пористостью, малой плотностью и теплопроводностью, достаточной прочностью и долговечностью, хорошо обрабатываются. Эти качества туфов позволяют успешно применять их для облицовки стен зданий; отходы добычи и обработки туфов после дробления и фракционирования используют в качестве заполнителей легких бетонов. Залежи вулканических туфов имеется в Армении, Грузии и на Дальнем Востоке.

Обломочные осадочные горные породы как рыхлые (песок и гравий), так и сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии) находят широкое применение в строительстве.

Песок представляет собой рыхлую смесь зерен различных пород крупностью 0,14-5 мм. По составу песок может быть кварцевым, полевошпатовым, известняковым, пемзовым и др., а по происхождению - горным, овражным, речным, морским, дюнным и др. Используют песок в качестве заполнителя в растворах и бетонах.

Гравий - смесь окатанных обломков горных пород размером от 5 до 150мм служит заполнителем для бетона.

К глинистым осадочным горным породам относят тонкообломочные отложения, состоящие из мельчайших частиц каолинита, кварца, слюды, полевого шпата и др. Применяют их как сырье для керамической и цементной промышленности.

Песчаники - плотная горная порода, состоящая из зерен кварца, сцементированных различными природными растворами. В зависимости от вида связующего различают песчаники глинистые, известняковые и кремнистые. Физико-механические свойства песчаников зависят от вида цементирующего вещества, крупности и формы сцементированных зерен. Цвет песчаников желтый, серый и даже бурый. Наибольшими плотностью и прочностью обладают кремнистые песчаники, их плотность 2500-2600 кг/м³, предел прочности при сжатии - 150- 250 МПа, они отличаются также высокими твердостью и стойкостью к истиранию.

Из песчаников выполняют бутовые камни, плиты для устройства полов промышленных зданий и тротуаров, щебень для бетонов и другие изделия. Песчаник наряду с песком, гравием и глиной имеется во многих районах нашей страны.

Конгломерат и брекчия - обломочные горные породы, состоящие из сцементированных зерен гравия (конгломераты) или природного щебня (брекчия). Прочность их зависит от прочности входящих в них пород и цементирующих веществ. Эти породы применяют в виде бутового камня и щебня. Месторождения конгломератов и брекчии имеются в Крыму.

К осадочным хемогенным породам относят доломит, магнезит, гипс, ангидрит.

Доломит - плотная горная порода. По внешнему виду и физико-механическим свойствам доломит очень похож на плотный известняк. Из него изготовляют облицовочные плиты щебень для бетона, огнеупоров и минеральных вяжущих веществ. Месторождения доломита имеются в Донецкой области.

Магнезит применяют для производства вяжущих веществ и огнеупорных материалов.

Гипсовый камень является плотной горной породой, состоящей в основном из минерала того же названия. Гипсовый камень является сырьем для производства строительного гипса и гипсовых вяжущих.

Из органогенных осадочных пород в строительстве используют плотный известняк, известняк-ракушечник, мел, трепел, диатомит.

Известняк является широко распространенной горной породой, состоящей в основном из минерала кальцита. Цвет известняка и многие его свойства зависят от наличия в нем примесей (глины, кремнезема, оксидов железа и др.). Так, чистый известняк имеет белый цвет, а глинистые примеси придают ему желтоватый оттенок. Порода, состоящая из примеси известняка и глины, называется мергелем. Известняки бывают плотными и пористыми.

Плотные известняки состоят из мелких сцементированных зерен кальцита. Плотность их колеблется от 1800 до 2600 кг/м³, предел прочности при сжатии до 180 МПа. Плотные известняки морозостойки, из них изготовляют плиты и камни для наружной облицовки стен, щебень для бетона, их используют также в качестве сырья для получения извести и портландцемента.

Известняк-ракушечник - пористая горная порода, состоящая из раковин и их обломков, сцементированных известняковым вяжущим. Ракушечники характеризуются большой пористостью, низкой прочностью и малой теплопроводностью; они хорошо поддаются распиловке. Известняк-ракушечник плотностью 800-1500 кг/м³ и прочностью при сжатии 1-3 МПа с успехом употребляют в виде камней и блоков правильной формы для кладки стен жилых зданий, а отходы ракушечника - в виде щебня, для легких бетонов.

Мел является слабосцементированной горной породой, состоящей из микроскопических раковин. Мел белого цвета, его используют в качестве белого пигмента для приготовления красок, замазок, а также при производстве извести и портландцемента.

Диатомит и трепел представляют собой легкие рыхлые горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема в виде панцирей диатомовых водорослей или скелетов окаменелых организмов. Цвет этих горных пород белый, желтый и черный, плотность 400-1200 кг/м³, Диатомиты и трепелы служат для изготовления теплоизоляционных материалов, в качестве активных минеральных добавок к цементам.

Из метаморфических горных пород в строительстве наиболее часто применяют гнейсы, глинистые сланцы, мраморы и кварциты. Все они, кроме кварцитов, добываются в Украине.

Гнейсы по минералогическому составу сходны с гранитами, из которых они образовались, но отличаются от них сланцеватым строением. Окраска гнейсов светлая или пестрая. Физико-механические свойства их близки к свойствам гранитов. В строительстве гнейсы используют для тех же целей, что и граниты.

Глинистые сланцы получились из глин в результате сильного уплотнения и действия высоких температур. Цвет их серый или сине-черный. Глинистые сланцы не размокают в воде, легко раскалываются на пластинки толщиной 4-10 мм. Такие пластинки из плотных глинистых сланцев являются долговечным кровельным материалом (природный шифер).

Мрамор представляет собой зернисто-кристаллическую горную породу, образовавшуюся в результате перекристаллизации известняков и доломитов под воздействием высоких температур и давлений. Чистый мрамор имеет белый цвет, но в зависимости от примесей цвет его может быть розовым, красным, серым и даже черным. При неравномерном распределении примесей мраморы имеют пеструю окраску с различными узорами, придающими камню декоративность.

Мрамор характеризуется высокой плотностью и прочностью. Плотность его достигает 2800 кг/м³, водопоглощение не превышает 0,7 %, а предел прочности при сжатии колеблется от 100 до 300 МПа. Мрамор, в связи с его невысокой твердостью (3-4), можно сравнительно легко распиливать на тонкие плиты, шлифовать и полировать. Применяют его для внутренней облицовки стен, изготовления лестничных ступеней, подоконных досок и других изделий, которые, как правило, используют в общественных зданиях и сооружениях. Из отходов обработки мрамора - мраморной крошки изготовляют мозаичные бетонные изделия. Для наружной облицовки зданий мрамор не рекомендуется, так как под действием содержащихся в воздухе газов и влаги он быстро теряет свои декоративные качества.

Кварцит имеет цвет белый, красный и темно-вишневый. Кварцит характеризуется большой плотностью, хрупкостью и твердостью, а также высокой стойкостью к выветриванию. Плотность его 2500-2700 кг/м³ предел прочности при сжатии достигает 400 МПа. Применяют кварцит в виде тесаного камня и плит для наружной облицовки зданий и сооружений, а также в виде щебня для бетона. Большие залежи кварцита имеются в Карелии.

Добыча и обработка природных каменных материалов

Производство каменных материалов и изделий включает добычу горной породы и ее обработку.

Добыча камня. В тех случаях, когда горные породы залегают неглубоко или выходят на поверхность земли, добыча их ведется открытым способом в карьерах. Горные породы, залегающие на большой глубине, добывают подземным способом в каменоломнях или шахтах.

Плотные горные породы, предназначенные для получения щебня или бутового камня, обычно разрабатывают взрывным способом, однако для получения из горной породы плит и блоков больших размеров взрывной способ не применяют, так как в породе могут образовываться трещины. Отдельные блоки выпиливают или выламывают из массива камнерезными и врубовыми машинами, а также специальным инструментом.

Легкообрабатываемые горные породы, например туф и известняк-ракушечник, добывают механизированным способом при помощи камнерезных машин, режущими элементами которых являются горизонтальные и вертикальные дисковые пилы со вставными резцами. Камнерезную машину устанавливают на тележке, которая передвигается по рельсовому пути вдоль забоя. При помощи дисковых плит, располагаемых в трех взаимноперпендикулярных плоскостях, камнерезной машиной из массива выпиливают блоки определенных размеров и правильной геометрической формы. На открытых разработках хорошо служит камнерезная машина конструкции Галанина. Существуют также камнерезные машины, выпиливающие крупные блоки, которые затем другими машинами разрезают на плиты.

Рыхлые горные породы (песок, гравий, глину) добывают открытым способом, применяя одно- и многоковшовые экскаваторы и другие машины.

Обработка камня. Отделенные от горного массива камни крупных размеров подвергают обработке, в результате которой камню придают заданные форму и размеры, а лицевой его поверхности - необходимую фактуру. Камень, как правило, обрабатывают механизированным способом на камнеобрабатывающих заводах. Особой трудоемкостью и сложностью отличается обработка облицовочного камня, которая включает следующие основные операции: распиливание каменных блоков на плиты и бруски требуемой толщины, обрезку плит и брусков по заданным размерам, профилирование и фактурную отделку. Для обработки камня используют стационарные станки различной конструкции, а также портативный пневматический инструмент. Этим инструментом на строительных площадках пришлифовывают детали при выполнении облицовочных работ.

Свойства и виды природных каменных материалов и изделий

Свойства природных каменных материалов. Среди многообразия физико-механических свойств природных каменных материалов обычно выделяют плотность, предел прочности при сжатии, морозостойкость, по величине которых оценивают их качество и делят на марки.

По плотности в сухом состоянии каменные материалы разделяют на тяжелые (более 1800 кг/м³) и легкие (менее 1800 кг/м³).

По пределу прочности при сжатии установлены следующие марки: для тяжелых каменных материалов - от 10 до 100, а для легких - от 1 до 20.

По степени морозостойкости в циклах замораживания (М_рз) для каменных материалов установлены марки от 10 до 500.

По степени водостойкости (коэффициенту размягчения) материалы разделяют на группы с величиной данного показателя 0,6; 0,75; 0,9 и 1.

К каменным материалам, предназначенным для дорожных покрытий, полов промышленных зданий, предъявляют дополнительные требования (высокая стойкость к истиранию, износу и др.). Для природного камня, из которого изготовляют облицовочные плиты, большое значение имеют внешний вид, цвет и текстура.

Выбирают горные породы для тех или иных каменных материалов и изделий на основании результатов испытаний образцов, оценки внешнего вида, а также с учетом эксплуатационных условий.

Виды природных каменных материалов и изделий. В строительстве используют различные виды природных каменных материалов и изделий: бутовый камень, стеновые камни и блоки, облицовочные камни и плиты, кровельные плитки и др.

Бутовый камень применяют в строительстве в виде кусков горной породы неправильной формы (рваный бут) или неправильных плит. Рваный бут получают из осадочных горных пород (известняков, доломитов, песчаников) взрывным способом, а плиты (постелистый бут и плитняк) добывают из слоистых горных пород при помощи клиньев, ударных механизмов и др. Масса отдельных бутовых камней колеблется в пределах 20-40 кг. Бутовый камень должен иметь предел прочности при сжатии не менее 10 МПа, а коэффициент размягчения не ниже 0,75. В нем не должно быть трещин, расслоений и рыхлых прослоек, снижающих его строительные свойства.

Бутовый камень служит материалом для кладки фундаментов, стен не отапливаемых зданий и сооружений, подпорных стенок и др. Отходы при заготовке бутового камня дробят и используют в виде щебня для бетонов.

Стеновые камни и блоки изготовляют из известняков, вулканических туфов и других горных пород плотностью до 2200 кг/м³. Размеры камней для ручной кладки 390х190х190 мм, размеры укрупненных блоков для механизированной кладки устанавливают исходя из прочности породы и грузоподъемности кранов. Правильную геометрическую форму и требуемые размеры камней и блоков получают, как правило, выпиливая их из массива при помощи камнерезных машин; значительно реже выпускают колотые штучные камни. Лицевая поверхность стеновых камней и блоков должна отвечать требованиям декоративности.

Горные породы, применяемые для изготовления стеновых камней и блоков, должны иметь предел прочности при сжатии не ниже 25 МПа, морозостойкость не ниже М_рз 15, коэффициент размягчения не ниже 0,6.

Камни и блоки из легких горных пород являются в ряде районов нашей страны местными материалами. Стены жилых и общественных зданий из легких природных камней и блоков значительно дешевле кирпичных и имеют красивый внешний вид.

Облицовочные камни и плиты изготовляют из блоков природного камня путем их распиливания или раскалывания с последующей механической обработкой. Горные породы для получения блоков-полуфабрикатов следует выбирать с учетом эксплуатационных условий, в которых будут находиться изготовленные из них облицовочные изделия. Так, горные породы, предназначенные для наружной облицовки, должны быть атмосферостойкими, без трещин и следов выветривания, иметь красивую и неизменную окраску. Для этой цели применяют : граниты, сиениты, диориты, габбро, лабрадориты, кварциты, плотные известняки, туфы, песчаники. Горные породы, используемые для внутренней облицовки, должны иметь красивую окраску и легко полироваться. Чаще всего для внутренней облицовки применяют мрамор.

Облицовочные камни и плиты бывают пилеными и тесаными. Пиленые изделия, как правило, дешевле и долговечнее тесаных, так как при распиловке горных пород удается получать сравнительно тонкие изделия без микротрещин, которые возникают при теске камня.

Плиты для облицовки стен и настилки полов должны иметь прямоугольную форму и заданные размеры. Кроме того, лицевой поверхности плит придают различную декоративную фактуру. В зависимости от способа выполнения фактуры делят на : ударные, получаемые скалыванием частиц камня (фактура "скалы", бугристая, бороздчатая, точечная, рифленая), и абразивные, получаемые путем истирания поверхности различными абразивами (пиленая, шлифованная, лощеная, зеркальная).

Плиты и камни из изверженных горных пород (граниты, лабрадориты, габбро и др.) применяют для наружных облицовок цоколей и фасадов монументальных зданий, долговечных и декоративных полов в помещениях общественных зданий с интенсивными людскими потоками, например, на станциях метрополитена, вокзалах и в универмагах, а также для облицовки набережных, гидротехнических сооружений и др. В последние годы внутреннюю облицовку монументальных зданий довольно часто выполняют из экономичных малоразмерных мраморных плиток толщиной 8-12 мм, лицевая поверхность которых имеет зеркальную фактуру.

При производстве мраморных плит получают большое количество отходов в виде обрезков, которые используют для устройства мозаичных полов.

Из природного камня, кроме облицовочных плит, изготовляют профильные детали, например плинтусы, угловые детали и детали граненых и каннелированных облицовок, а также ступени, подоконники и др.

Кровельные плитки из глинистого (кровельного) сланца весьма долговечный кровельный материал для сельского строительства. Раскалывая и отрубая материал, ему придают прямоугольную или ромбическую форму.

В дорожном строительстве широко применяют разнообразные изделия из природного камня, например брусчатку, колотый или булыжный камень, бортовые камни. Эти изделия изготовляют из изверженных или осадочных горных пород, которые должны иметь высокую прочность, низкое водопоглощение, хорошо сопротивляться ударным и истирающим нагрузкам, быть морозостойкими, а также не должны быть затронуты выветриванием. Такие же требования предъявляют к каменным материалам (граниту, диориту, диабазу, габбро), предназначенным для защитных плит-оболочек гидротехнических сооружений. Материалы и изделия из природного камня (базальта, диабаза и др.) используют также для конструкций, работающих при высоких температурах. Кроме того, материалы и изделия из гранита, диорита, кварцита, базальта, диабаза и кремнистого песчаника в виде облицовочных камней и плит правильной формы применяют для защиты конструкций зданий и аппаратов от воздействия кислот.

При транспортировании и хранении пиленые и тесаные облицовочные плиты устанавливают на ребро с прокладками, а полированные укладывают в специальные контейнеры лицевой стороной внутрь, прокладывая между ними бумагу. Архитектурные детали и подоконники перевозят в решетчатой таре.

Способы защиты природных каменных материалов от разрушения

В процессе эксплуатации каменные материалы в конструкциях и сооружениях могут подвергаться медленному разрушению в результате физико-химических процессов их взаимодействия с окружающей средой (в основном вода и газы), а также под воздействием различных растительных и микроорганизмов. Этот процесс по аналогии с разрушением горных пород на земной поверхности называется выветриванием.

Скорость разрушения природного каменного материала зависит от структуры, плотности, качества поверхности, химического состава породообразующих минералов и других характеристик камня, а также от интенсивности внешних воздействий на материал.

Для предохранения природных каменных материалов в конструкциях зданий и сооружений от выветривания следует выполнять определенные мероприятия - конструктивные или химические. Конструктивные мероприятия обеспечивают правильный и быстрый сток воды с поверхности камня, а также получение за счет шлифования и полирования плотной и гладкой лицевой поверхности.

Химические мероприятия предусматривают пропитку поверхности пористого камня специальными составами, которые уплотняют поверхность и предохраняют ее от проникания влаги. Среди существующих способов химической защиты каменных материалов наиболее эффективно флюатирование, т. е. пропитка поверхностного слоя пористых известняков флюатами - растворами солей кремнефтористоводородной кислоты. Флюаты реагируют с кальцитом СаСОз, образуя на поверхности камня нерастворимые соединения, которые заполняют все поры поверхностного слоя, препятствуя прониканию влаги в материал, и тем самым повышают стойкость его к воздействию внешней среды.

С целью повысить долговечность облицовок из природных каменных материалов рекомендуется покрывать и пропитывать их гидрофобизирующими (водоотталкивающими) составами, например раствором ГКЖ-94 или ГКЖ-10, а также применять пленкообразующие полимерные материалы, препятствующие проникновению влаги в поры каменной облицовки.

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Основные сведения о керамических материалах и изделиях и их классификация

Керамическими называют изделия и материалы, получаемые из глиняных масс или из их смесей с минеральными добавками путем формования и обжига.

Производство керамических изделий (в основном бытового назначения - посуда, вазы и т. п.) зародилось в глубокой древности, несколько тысяч лет до нашей эры. Значительно позднее стали изготовлять керамические строительные материалы - черепицу, облицовочные плиты и кирпич.

Сегодня керамические материалы и изделия используют для возведения стен и покрытий зданий, облицовки полов, стен, фасадов, кладки печей и дымовых труб, устройства канализации и дренажа и для других целей. Материал (тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком.

Строительные керамические изделия классифицируют по структуре керамического черепка, по их конструктивному назначению, состоянию поверхности и т.д.

По конструктивному назначению керамические материалы и изделия разделяют на следующие группы:

1. стеновые (кирпич, камни керамические, стеновые блоки и панели из кирпича);

2. для перекрытий (пустотелые камни, балки, панели перекрытия и покрытия из керамических камней);

3. для облицовки фасадов зданий (кирпич и керамические лицевые камни, фасадные плитки, ковровая керамика и др.);

4. для внутренней облицовки (глазурованные плитки и фасонные детали к ним, плитки для полов);

5. кровельные (глиняная черепица, пазовая штампованная и ленточная, плоская и волнистая ленточная и др.);

6. трубы канализационные и дренажные;

7. санитарно-технические (раковины, унитазы, смывные бачки и др.);

8. кислотоупорные (кирпич, плитки, трубы);

9. дорожные (кирпич, камни);

10. теплоизоляционные (пористо-пустотелые кирпичи и камни, перлитокерамика и др.);

11. заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит);

12. огнеупорные (кирпич и фасонные изделия).

По структуре черепка различают пористые и плотные керамические материалы. У пористых материалов черепок в изломе тусклого землистого вида, легко впитывает воду, пористость его более 5%. К пористым керамическим изделиям относят: кирпич, пустотелые камни, черепицу и др. Плотные материалы - белые или равномерно окрашенные, имеют спекшийся в изломе блестящий раковистый черепок, пористость которого не превышает 5 %, не пропускают жидкости и газы. Среди плотных керамических изделий следует назвать плитки для полов, кислотостойкий кирпич и др.

Керамические изделия могут быть также глазурованными и неглазурованными. Глазурь - стекловидное покрытие, закрепленное обжигом, придает изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества.

Сырье для производства керамических материалов

Основным сырьем для производства керамических материалов и изделий являются глины. Для улучшения технологических свойств глин, а также придания готовым изделиям определённых физико-механических свойств применяют отощающие, выгорающие и пластифицирующие добавки.

Глина - тонкодисперсная фракция горных пород, способная образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее после высыхания приданную ему форму и приобретающее после обжига твердость камня.

Глина является продуктом механического разрушения (выветривания) и химического разложения некоторых магматических и метаморфических горных пород, содержащих в своем составе полевой шпат (граниты, сиениты, гнейсы и т.д.). В результате разложения полевого шпата образовался минерал каолинит Аl₂O₃- 2SiO₂2H₂O. Однако горные породы, кроме полевого шпата, содержат и другие минералы (кварц, слюду и т. д.), поэтому при разрушении их получается сложная смесь, состоящая из частиц глины, кварца, слюды и других неразложившихся минералов.

В составе глин могут присутствовать неразложившиеся зерна полевого шпата, известняка, а также железистые, органические и другие вещества. Крупные зерна известняка в составе глин являются вредными примесями, так как при обжиге они превращаются в известь, которая затем на воздухе гасится и, увеличиваясь в объеме, разрушает керамические изделия.

Зерновой состав глин весьма разнообразен. Наличие в составе глин частиц того или иного размера существенно влияет на их свойства. Обычно глины содержат в значительном количестве частицы размером менее 0,005 мм, состоящие в большинстве случаев из каолинита. Такие частицы называют глинистыми. Они придают глине высокие пластические свойства. Более крупные частицы размером 0,005-0,15 мм именуют пылевидными, а частицы размером 0,15-5мм-песчаными. Пылевидная и песчаная фракции свойством пластичности не обладают. Однако песок в определенных пределах можно считать полезной примесью, так как он создает в глиняной массе своеобразный скелет и снижает усадку при сушке и обжиге глины. В зависимости от содержания глинистых частиц различают тяжелые глины (более 60 % глинистых частиц), глины (30-60%), суглинки (10-30%) и супеси (5-10%).

К важнейшим свойствам глин, которые учитывают при производстве керамических материалов, относят пластичность, воздушную и огневую усадку, огнеупорность и цвет глиняного черепка.

Пластичностью называют способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму без образования трещин и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластичность повышается с увеличением содержания в глине глинистых частиц. Чем глина пластичней, тем больше требуется воды для получения хорошо формуемого глиняного теста, а это, в свою очередь, увеличивает усадку изделий при сушке и обжиге.

Различают глины высокопластичные (жирные), глины средней пластичности и малопластичные (тощие) глины. Жирные глины обладают хорошей пластичностью, связностью и легко поддаются формованию, однако сформованные из них изделия при высыхании значительно уменьшаются в объеме и дают трещины. Тощие глины трудно поддаются формованию. Для повышения пластичности формовочной массы и улучшения качества кирпича и других материалов применяют поверхностно-активные вещества - сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ) и др.

При применении для производства керамических материалов высокопластичных глин в сырьевую смесь вводят отощающие добавки или определенное количество малопластичной глины.

Усилие, необходимое для разъединения частиц глин, характеризует ее связность. Высокой связностью обладают глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций.

Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичных материалов: песка, шамота (дробленная обожженная огнеупорная глина) и др. и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие - сырец.

Воздушной усадкой глин называют изменение линейных размеров свежесформованного образца в процессе сушки при 110°С; ее выражают в процентах от первоначального размера образца-сырца. Высокопластичные глины имеют линейную воздушную усадку более 10%, глины средней пластичности - 6-10% и малопластичные глины - менее 6 %.

Огневой усадкой глин называют изменение линейных размеров воздушно-сухого образца в процессе обжига. Огневая усадка глин в зависимости от их вида обычно находится в пределах 1-4 %.

Полная усадка - арифметическая сумма величин воздушной и огневой усадок. Величина полной усадки, как правило, 5-18 %, наибольшее значение усадки у высокопластичных глин. Большая усадка глины считается отрицательным свойством, так как неравномерное изменение объема вызывает деформации изделия (искривления, трещины). Полную усадку следует учитывать при формовании изделий.

Огнеупорность - свойство глины выдерживать действие высокой температуры без деформации. По огнеупорности глины разделяют на три группы: огнеупорные с температурой размягчения выше 1580⁰С, тугоплавкие с температурой размягчения 1580-1350⁰С, легкоплавкие с температурой размягчения ниже 1350⁰С.

Огнеупорные глины состоят из глинистых частиц, содержат небольшое количество примесей и поэтому обладают высокой пластичностью. Применяют эти глины для изготовления огнеупорных, фарфоровых и фаянсовых изделий. Тугоплавкие глины используют в производстве плиток для полов, канализационных труб и других видов строительной керамики. Из легкоплавких глин изготовляют красный глиняный кирпич, пустотелые керамические камни, черепицу и другие изделия.

Цвет глиняного черепка после обжига зависит от состава и количества примесей в глине. Каолины, являясь наиболее чистым глиняным сырьем, дают черепок белого цвета. Оксиды железа придают керамическим изделиям окраску от светло-желтой до темно-красной и бурой. Вводя в глину минеральные красители можно получать керамические изделия различных цветов и оттенков.

Добавки. Пластичные жирные глины в чистом виде редко применяют в производстве керамических материалов, так как в процессе сушки и обжига они дают большую усадку, сопровождающуюся короблением и растрескиванием изделий. Для ее уменьшения в состав сырьевой смеси вводят отощающие материалы (песок, шлак, золу от сжигания твердого топлива, измельченный керамический бой, шамот и др.).

Для получения облегченных керамических материалов и изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью в состав сырьевой смеси вводят порообразующие добавки, которые выгорают в процесс обжига (опилки, угольный порошок, торф и др.).

При изготовлении некоторых изделий для понижения температуры обжига улучшения спекания, повышения плотности изделий в глину вводят специальные добавки - плавни (молотый полевой шпат, доломит, магнезит, стеклобой).

Обогащающие и пластифицирующие добавки (высокопластичные глины, отходы при добыче угля, сульфитно-спиртовую барду - отход целлюлозного производства и др.) вводят в глиняную смесь для обогащения малоглиноземистого сырья, увеличения его пластичности, улучшения формовочных и сушильных свойств глин.

Производство керамических материалов и изделий

Керамические материалы и изделия имеют разнообразные размеры, форму, физико-механические свойства и различное назначение, но основные этапы технологического процесса производства их примерно одинаковы и складываются из добычи сырьевых материалов, подготовки сырьевой массы, формования изделия (сырца), сушки, обжига, сортировки обожженных изделий, упаковки и хранения их на складе.

Добыча глины. Глину для производства керамических материалов и изделий добывают в карьерах, расположенных обычно в непосредственной близости от завода, одно- или многоковшовыми экскаваторами и другими машинами и механизмами.

Подготовка сырьевой массы. В естественном состоянии глина обычно непригодна для формования изделий. Нужно разрушить природную структуру глины, удалить из нее вредные примеси, измельчить крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить ее, чтобы получить удобоформуемую массу.

Сырьевую смесь готовят полусухим, пластическим или мокрым (шликерным) способами. Выбор того или иного способа зависит от свойств сырьевых материалов, состава керамических масс и способа формования изделий, а также от их размеров и назначения.

При полусухом способе сырьевые материалы высушивают, дробят, размалывают и тщательно перемешивают. Сушат глину обычно в сушильных барабанах, дробят и размалывают в бегунах сухого помола, дезинтеграторах или шаровых мельницах, а смешивают в лопастных мешалках. Влажность пресс-порошка - 9-11 %. Увлажняют пресс-порошок водой или паром до приобретения необходимой влажности.

Полусухой способ подготовки сырьевой смеси применяют в производстве строительного кирпича полусухого прессования, плиток для полов, облицовочных плиток и др.

При пластическом способе сырьевые материалы смешивают при естественной влажности или с добавлением воды до получения глиняного теста влажностью 18-23 %. Для измельчения и переработки сырьевых материалов используют вальцы и бегуны различных типов, а для перемешивания - глиномешалки.

Пластическим способом готовят сырьевую смесь для производства керамического кирпича пластического формования, керамических камней, черепицы, труб и др.

При шликерном способе сырьевые материалы предварительно измельчают в порошок, а затем тщательно смешивают в присутствии большого количества воды, получая однородную суспензию (шликер). Этот способ применяют при производстве фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток и др.

Формование изделий. Формуют керамические изделия различными способами: пластическим, полусухим и литья. Выбор способа формования зависит от вида изделий, а также от состава и физико-механических свойств сырья.

Пластический способ формования - изготовление изделий из пластических глиняных масс на прессах - наиболее распространен в производстве строительных керамических изделий.

Подготовленную глиняную массу влажностью 18-23 % направляют в приемный бункер ленточного пресса. При помощи шнека масса дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное отверстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мундштук, можно получать брус различных формы и размеров. Непрерывно выходящий из пресса брус автоматическое резательное устройство разрезает на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий.

Современные ленточные прессы снабжены вакуум-камерами, в которых из глиняной массы частично удаляется воздух. Вакуумирование массы повышает ее пластичность и уменьшает формовочную влажность, сокращает длительность сушки сырца и одновременно повышает его прочность.

Полусухим способом формуют облицовочные плитки, плитки для полов и другие тонкостенные керамические изделия. Этим способом можно изготовлять кирпич и другие изделия из малопластичных, тощих глин, что расширяет сырьевую базу производства изделий строительной керамики. Существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим - применение глиняной массы с меньшей влажностью (8-12 %), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца.

При полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на высокопроизводительных прессах, обеспечивающих двустороннее прессование пресс-порошка в формах под давлением до 15 МПа. Сырец полусухого прессования имеет четкую форму, точные размеры, прочные углы и ребра.

Способ литья применяют для изготовления санитарно-технического фаянса и облицовочных плиток. При этом способе предварительно измельченную глиняную массу влажностью более 45 % (шликер) заливают в специальные формы или используют при формовании плиток.

Сушка изделий. Сформованные изделия (сырец) необходимо сушить, чтобы снизить их влажность, например, кирпич-сырец сушат до влажности 8-10 %. За счет сушки повышается прочность сырца, предотвращаются растрескивание и деформация его в процессе обжига. Сушка может быть естественной и искусственной.

Естественная сушка в сушильных сараях не требует затрат топлива, но продолжается очень долго (10-15 сут) и зависит от температуры и влажности окружающей среды (воздуха). Кроме того, для естественной сушки требуются помещения с большой площадью.

В настоящее время на крупных заводах, как правило, производят искусственную сушку сырца в камерных сушилках периодического действия и туннельных непрерывного действия.

Режим сушки выбирают в соответствии с видом изделия. В качестве теплоносителя в сушилках применяют дымовые газы обжигательных печей, а также газы, получаемые в специальных топках.

Длительность искусственной сушки сырца составляет от 1 до 3 сут, а для тонкостенных изделий - несколько часов.

Обжиг изделий - завершающий этап технологического процесса производства керамических изделий. Процесс обжига можно условно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение. При прогреве сырца медленно поднимают температуру до 100-120⁰С, при этом из него удаляется свободная вода. Дальнейшее повышение температуры до 750⁰С приводит к выгоранию органических примесей и удалению химически связанной воды, находящейся в глинистых минералах и других соединениях сырьевой смеси.

В процессе собственно обжига при 800-900⁰С легкоплавкие соединения расплавляются и обволакивают нерасплавившиеся частицы, при этом уменьшаются линейные размеры изделия и оно уплотняется. При дальнейшем повышении температуры глиняная масса спекается. Максимальная температура обжига зависит от свойств используемых глин и вида обжигаемого изделия. В результате обжига керамическое изделие приобретает камневидное состояние, высокие прочность, водостойкость, морозостойкость и другие строительные свойства.

Обжигают керамические изделия в кольцевых, туннельных, щелевых, роликовых и других печах.

Кольцевая печь представляет собой эллипсообразный замкнутый обжигательный канал, условно разделенный на камеры. Количество камер кольцевой печи в зависимости от ее производительности колеблется от 16 до 36. Условные камеры объединяются в группы - зоны, расположенные в следующей последовательности: загрузка, подогрев, собственно обжиг, охлаждение и выгрузка. В кольцевой печи очаг горения, как и другие зоны, непрерывно перемещается по обжигательному каналу, а обжигаемая продукция находится на месте.

В кольцевых печах обжигают в основном кирпич и черепицу. Температура обжига 900-1100⁰С. Весь цикл обжига в кольцевой печи длится 3-4 сут.

При обжиге изделий в кольцевых печах наблюдается неравномерное распределение температуры по сечению канала, что приводит к пережогу некоторого количества изделий. Основной недостаток кольцевых печей - тяжелые условия труда обслуживающего персонала и трудности механизации производственного процесса.

Туннельная печь - сквозной канал длиной до 100 м, в котором по рельсам движутся вагонетки с обжигаемыми изделиями. В туннельной печи имеются те же зоны, что и в кольцевой, и совершаются те же операции загрузки, подогрева, обжига, охлаждения и выгрузки. Однако в туннельной печи передвигаются по зонам изделия, а сами зоны остаются на месте.

Высушенный кирпич или другие изделия загружают на вагонетки с подом из огнеупорного кирпича. Толкатель подает загруженную вагонетку в печь, выталкивая при этом с противоположного конца вагонетку с обожженным и охлажденным кирпичом. Туннельные печи работают на газе или тонкомолотом угле. В этих печах легко механизировать процессы загрузки и выгрузки продукции, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование. Длительность процесса обжига 18-36 ч. Туннельные печи значительно производительнее и экономичнее кольцевых печей, кроме того, в них брак кирпича значительно ниже. Керамические материалы, в частности облицовочные глазурованные фаянсовые плитки, обжигают дважды. При первом (утельном) обжиге плитки, помещаемые в специальные капсели, обжигают в туннельных печах при 1240-1250⁰С. Затем после охлаждения их сортируют, наносят слой глазури, укладывают в капсель и обжигают вторично в другой туннельной печи при 1140⁰С.

Для получения глазури служит смесь легкоплавкой глины, кварцевого песка, полевого шпата, оксида свинца, цинка и др. В состав цветных глазурей входят красящие оксиды или соли металлов. Тонкоизмельченную сырьевую смесь глазури в виде водной суспензии наносят тонким слоем на лицевую поверхность плитки. При обжиге составные части глазури расплавляются и создают на поверхности плитки тонкий стекловидный слой, обеспечивающий наряду с высокими декоративными качествами и водонепроницаемость плиток. Глазуруют также канализационные трубы, облицовочный кирпич и фасадные облицовочные плитки. Эти изделия покрывают глазурью после сушки и обжигают один раз.

Сортировка и хранение керамических изделий. При выгрузке из печи керамические изделия сортируют. Качество изделий устанавливают по степени обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в них различных дефектов. По степени обжига они могут быть разделены на изделия нормального обжига, недожог и пережог. Сортность изделий устанавливают по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в соответствии с требованиями ГОСТа.

После сортировки изделия направляют на склад, где хранят до отправки на строительство. Кирпич и керамические камни укладывают в елочные пакеты или на поддоны и хранят на открытых площадках. Облицовочные плитки рассортировывают по цветам и размерам, упаковывают в ящики и хранят в закрытых складах. Санитарно-технические изделия, прошедшие сортировку и комплектование арматурой, упаковывают в специальные ящики и хранят в закрытых складах.

Стеновые керамические материалы и изделия

Среди большой группы стеновых керамических материалов и изделий в настоящее время наиболее распространены керамический кирпич, различные виды эффективных керамических материалов, а также стеновые кирпичные панели.

Кирпич керамический полнотелый имеет форму прямоугольного параллелепипеда размером 250х120х65 мм или 250х120х88 мм. Для модульного кирпича толщиной 88 мм обязательно наличие технологических пустот. Допускаемые отклонения от указанных размеров не должны превышать: по длине +5, по ширине +4, по толщине +3 мм.

Кирпич должен быть нормально обожжен. Кирпич-недожог алого цвета, пониженной плотности и морозостойкости, кирпич-пережог отличается большой плотностью, прочностью и сравнительно высокой теплопроводностью.

Плотность кирпича в сухом состоянии колеблется в пределах 1600-1900 кг/м³ а теплопроводность - 0,71-0,82 Вт/(м ⁰С). Эти свойства кирпича зависят от способа его изготовления. Большую плотность, следовательно, и большую теплопроводность имеет кирпич полусухого прессования.

По пределу прочности при сжатии и изгибе кирпич подразделяют на следующие марки: 75, 100, 125, 150, 175, 200 и 300.

Водопоглощение кирпича, высушенного до постоянной массы, должно быть не менее 8%. Меньшая величина водопоглощения свидетельствует о повышенной теплопроводности кирпича, что нежелательно.

По морозостойкости насыщенный водой кирпич должен выдерживать без каких-либо признаков видимых повреждений (расслоения, выкрашивания и т. д.) не менее 15 циклов попеременного замораживания при -15⁰С и ниже с последующим оттаиванием в воде при +15⁰С.

Керамический кирпич применяют для кладки внутренних и наружных стен, столбов, сводов и других частей зданий. Кроме того, из него изготовляют кирпичные панели.

Для уменьшения массы и толщины наружных стен взамен обычного кирпича широко применяют эффективные керамические материалы, которые характеризуются меньшей плотностью, более низкой теплопроводностью, чем обычный кирпич, но обладают достаточной прочностью.

По теплотехническим свойствам и плотности кирпич и камни (все керамические изделия конструктивного назначения, имеющие размеры больше кирпича, называют керамическими камнями), в высушенном до постоянной массы состоянии, подразделяют на: эффективные, улучшающие теплотехнические свойства стен зданий и позволяющие уменьшить их толщину по сравнению с толщиной стен из обыкновенного кирпича (кирпич плотностью не более 1400 кг/м³ и камни плотностью не более 1450 кг/м³) и условно эффективные, улучшающие теплотехнические свойства ограждающих конструкций (кирпич плотностью свыше 1400 кг/м³ и камни плотностью 1450-1600 кг/м³).

К эффективным стеновым керамическим материалам относят пустотелые керамические кирпич и камни. Они имеют форму прямоугольного параллелепипеда с ровными гранями на лицевых поверхностях. Пустоты в кирпиче и камнях должны располагаться перпендикулярно или параллельно постели и могут быть сквозными или несквозными. Диаметр цилиндрических сквозных пустот не более 16 мм, ширина щелевидных пустот не более 12 мм. Толщина наружных стенок кирпича и камней должна быть не менее 12 мм. Водопоглощение пустотелых изделий не менее 6%. По прочности кирпич и камни подразделяют на марки: 300, 250, 200, 175, 150, 125,100, 75, а по морозостойкости на марки: 15, 25, 35 и 50.

Пустотелый кирпич применяют для кладки наружных и внутренних стен зданий и для заполнения стен каркасных зданий. Не разрешается использовать этот кирпич для кладки стен зданий бань, прачечных и т. п. Из пустотелых камней возводят несущие стены и перегородки, стены каркасных зданий, изготовляют кирпичные панели. Применяя пустотелые керамические камни, удается снизить толщину и массу стен, снизить трудоемкость кладки и ее стоимость.

К эффективным керамическим материалам относят также сплошные и пустотелые кирпичи и камни, которые изготовляют из смеси глины и диатомитов или трепелов путем пластического или полусухого формования и последующего обжига. Плотность их от 700 до 1500 кг/м³. Кирпич и камни выпускают пяти марок: 200, 150, 125, 100 и 75. Применяют их для кладки наружных и внутренних стен зданий и сооружений.

Стеновые кирпичные панели представляют собой индустриальные изделия заданных размеров, в которых отдельные кирпичи или керамические камни сцементированы в монолит цементно-песчаным раствором. По назначению различают панели для наружных и внутренних стен, а также специальные панели (цокольные, вентиляционные и др.).

Кирпичные панели наружных стен изготовляют двухслойными и однослойными толщиной 260 мм. Перспективны однослойные панели из укрупненных крупнопустотных или щелевых камней. Панели внутренних несущих стен выполняют однослойными из обыкновенного кирпича и армируют металлическими каркасами. Общая толщина панелей 140 мм, включая толщину кирпича 120 мм и два слоя раствора с каждой стороны по 10 мм.

Технологический процесс изготовления кирпичных панелей состоит из следующих основных операций: приготовления цементно-песчаного раствора, изготовления арматурного каркаса, формования панели, ее тепловлажностной обработки и отделки.

Готовые панели хранят на открытых складах в вертикальном положении, в таком же положении их транспортируют панелевозами на строительную площадку.

Основные преимущества применения кирпичных панелей по сравнению с кладкой стен из штучного кирпича или керамических камней - возможность изготовления крупноразмерных элементов в заводских условиях, монтаж их на строительной площадке при помощи современных средств механизации, а также возможность значительной экономии стеновых материалов.

Керамические облицовочные материалы

Керамические материалы для облицовки фасадных поверхностей, внутренних стен и полов зданий могут быть с лицевой поверхностью натурального цвета, окрашенной в различные цвета, гладкой, рельефной, глазурованной. Поверхности, облицованные керамическими материалами, отличаются высокими декоративными свойствами, они долговечны, относительно экономичны.

Материалы для облицовки фасадов зданий. Для облицовки фасадов зданий применяют лицевые кирпич и камни, фасадные малогабаритные плитки и ковровую керамику.

Лицевые кирпич и камни характеризуются правильной формой, четкими гранями и однородностью окраски. Лицевая поверхность их может быть гладкой, рельефной и офактуренной. Цвет лицевого кирпича и камней изменяется от темно-красного до кремового. Материалы кремового цвёта изготовляют из светложгущихся глин, в настоящее время они наиболее распространены. Кирпич и камни выполняют сплошными и пустотелыми. Технология их аналогична технологии керамического кирпича, изготовляемого пластическим или полусухим способом.

Выпускают также кирпич и камни с различной фактурной поверхностью (зернистой, бороздчатой и пр.). Фактурный слой из беложгущихся глин наносят на две взаимно перпендикулярные поверхности изделий в процессе их формования.

Лицевые кирпич и камни в зависимости от формы и назначения разделяют на рядовые и профильные. Рядовые используют для гладкой части стен, а профильные- для карнизов, тяг, поясов и т. д.

Лицевые кирпич и камни применяют для кладки наружных рядов фасадов и внутренних стен вестибюлей, лестничных клеток, переходов и других помещений. Их укладывают одновременно и вперевязку с обыкновенным кирпичом или камнем, с которыми они воспринимают одинаковую нагрузку. Такой способ облицовки обеспечивает надежное ее крепление, повышает долговечность и снижает трудоемкость и стоимость отделки зданий.

Керамические фасадные плитки изготовляют способом полусухого прессования. Основной размер фасадных плиток 250х140х10, цокольных- 150х75х7, типа <кабанчик> - 125х60х7 мм. Кроме того, выпускают фасадные архитектурно-художественные плитки типа <ромб>, <лепесток> <диагональная>, <пирамидка>, <волна>, <шары>.

Лицевая поверхность фасадных плиток может быть гладкой и фактурной, неглазурованной и глазурованной, окрашенной в различные цвета. На тыльной их стороне имеются углубления для лучшего сцепления с цементным раствором. Водопоглощение фасадных плиток 2 - 8 %, морозостойкость не менее 35 циклов. Фасадные плитки используют как изделия прислонного крепления для наружной облицовки плоскостей готовых стен и отделки отдельных архитектурных элементов, а также для внутренней облицовки вестибюлей и лестничных клеток жилых и общественных зданий.

Ковровая керамика представляет собой мелкоразмерные плитки различного цвета, глазурованные и неглазурованные. Плитки одного или нескольких цветов набирают в <ковры>, наклеивая их лицевой поверхностью на крафт-бумагу. Тыльную сторону плиток для лучшего сцепления с раствором делают рифленой. Размеры коврово-мозаичных плиток 48х48 и 22х22 мм при толщине 4 мм. Размеры ковров из них 724х464 и 672х424 мм. Водопоглощение плиток не должно превышать 12 %,а их морозостойкость должна быть не менее 25 циклов.

Коврово-мозаичные плитки в настоящее время - наиболее массовые изделия для облицовки стеновых наружных, панелей в процессе их формования, стен транспортных и спортивных сооружений, торговых и других зданий.

Материалы для внутренней облицовки стен. Для придания отдельным помещениям жилых, общественных и промышленных зданий санитарно-гигиенических и художественно-декоративных качеств, а также для защиты конструкций от действия влаги и огня стены облицовывают керамическими плитками. Для облицовки стен служат глазурованные облицовочные (фаянсовые), а также коврово-мозаичные плитки.

Глазурованные облицовочные (фаянсовые) плитки изготовляют способом полусухого прессования на прессах-автоматах из огнеупорных глин с добавкой кварцевого песка и плавней. После сушки плитки глазуруют и обжигают. Плитки имеют пористый черепок белого или желтоватого цвета. Покрытие лицевой поверхности белой или цветной глазурью улучшает внешний вид плиток, придает им водонепроницаемость и стойкость против воздействия слабых растворов щелочей и кислот. Лицевая поверхность плиток может быть плоской, рельефной, офактуренной с многоцветным рисунком, наносимым сериографическим или шелкографическим методами. Тыльная сторона плиток должна быть рифленой.

Плитки для внутренней облицовки выпускают различной формы - квадратные, прямоугольные и фасонные. Размер квадратных плиток 150х150 мм, прямоугольных- 150х100 и 150х75 мм, толщина их - 4-6 мм.

К качеству плиток для внутренней облицовки стен предъявляют высокие требования. Плитки должны иметь правильную геометрическую форму, четкие грани и углы, гладкую и ровную поверхность, глазурованную без выпуклостей, выбоин, трещин, недоливов, натеков и пузырьков. Плитки должны быть термически стойкими, водопоглощение их не должно превышать 16 %.