41. Термические свойства керамических материалов

1. Классификация керамических строительных материалов и изделий.

Строительные керамические материалы и изделия в зависимости от основного назначения делятся на группы:

а) стеновые материалы - кирпич глиняный обыкновенный, кирпич глиняный пустотелый и пористо-пустотелый пластического прессования, кирпич глиняный пустотелый полусухого прессования, камни керамические пустотелые пластического прессования, кирпич строительный легкий.

б) кирпич и камни строительные глиняные специального назначения - кирпич глиняный лекальный, камни для канализационных сооружений (подземных коллекторов), кирпич для дорожных одежд (мостовой клинкер).

в) изделия керамические пустотелые для перекрытий - камни для часторебристых покрытий (сборных или монолитных), камни для армокерамических балок, камни для накатов, а также панели перекрытий и покрытий, изготовленные из отдельных керамических камней;

г) изделия керамические для облицовки фасадов зданий - кирпич и камни керамические лицевые, ковровая керамика, плитки керамические малогабаритные, плиты керамические фасадные, подоконные сливы;

д) изделия керамические для внутренней облицовки - плитки для облицовки стен, детали встроенные, плитки для полов;

е) кровельные материалы - черепица глиняная;

ж) трубы керамические канализационные и дренажные;

з) изделия керамические кислотоупорные - футеровочные (кирпич кислотоупорный нормальный, плитки кислотоупорные и др. ), трубы кислотоупорные и фасонные части к ним.

По строению черепка они делятся на две группы: с пористой структурой (пористость больше 5%) - кирпич, черепица, архитектурно-отделочная керамика и др. - и с плотной камневидной структурой, спекшиеся (пористость менее 5%) - плитки для полов, канализационные трубы.

К тонкой керамике относятся тонкостенные изделия из бело- или светложгущихся глин и каолинов с мелкозернистым, обычно белым и часто просвечивающим черепком. Изделия из тонкой керамики могут также быть пористыми (из фаянса) и плотными, неглазурованными, например из технического фарфора, и покрытыми прозрачной или глухой глазурью, например электротехнический фарфор, скульптурные изделия.

2. Общие свойства керамических строительных материалов и изделий.

Свойства керамических изделий определяются видом и качеством исходного сырья, способом его переработки, условиями формования, тепловой обработки, степенью спекания, обусловливающей структуру черепка, соотношение кристаллической, стекловидной (аморфной) и газообразной фаз и их физико-химическую природу.

Прочность строительной керамики колеблется в широких пределах. Так, предел прочности при сжатии стеновой керамики изменяется от 7, 5 до 30 МПа, дорожного кирпича — от 40 до 100 МПа.

Водопоглощение керамических изделий — косвенная характеристика их пористости, а следовательно, и плотности. Оно оказывает значительное влияние на другие свойства: морозостойкость, воздухо- и паропроницае- мость, прочность сцепления с раствором и др. Водопоглощение плотных керамических изделий со спекшимся черепком не превышает 5% по массе, пористых— 5— 30 %. Стеновые керамические изделия для надежного сцепления со строительным раствором должны иметь водопоглощение не менее 6—8 %.

Плотность керамических изделий определяется в основном степенью спекания. По средней плотности стеновые материалы в сухом состоянии делят на классы: А — с плотпостью 700—1000 кг/м3, Б — 1000—1300 кг/м3, П — 1300—1450 кг/м3, Г —более 1450 кг/м3. С понижением средней плотности уменьшается теплопроводность керамических изделий, что позволяет сократить толщину наружных стен.

Морозостойкость керамических изделий обусловливает их долговечность, так как определяет способность изделий в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного понижения прочности (не более 15%). Вода, замерзшая в порах материала, увеличивается в объеме почти на 9 %, в связи с чем давление льда в порах может достигать 280 МПа. Марки керамических материалов по морозостойкости: 15, 25, 35, 50, 75, 100.

Морозостойкость керамических материалов зависит от их предела прочности при растяжении, модуля упругости и структуры.

Теплопроводность керамических изделий зависит от их средней плотности, структуры черепка и его влажности. Теплопроводность абсолютно плотного черепка равна 1, 1бВт/(м-°С). Уменьшение средней плотности с 1800 до 700 кг/м3 путем повышения пористости и создания пустот в керамике приводит к снижению ее теплопроводности с 0, 8 до 0, 21 Вт/(м-°С). Увлажнение керамических изделий и замерзание воды в их порах приводит к резкому повышению теплопроводности изделий, так как теплопроводность воды [0, 58 Вт/(м-°С)] выше теплопроводности воздуха в 2 раза, а теплопроводность льда выше теплопроводности воздуха в 8 раз.

3. Виды и характеристики эффективных стеновых керамических материалов

Эффективные керамические изделия имеют меньшую среднюю плотность и более низкую теплопроводность, чем сплошной кирпич. Они обладают достаточной прочностью, а некоторые из них (камни) имеют большие размеры, чем обыкновенный кирпич. Применение эффективных изделий дает возможность снизить толщину и массу ограждающих конструкций, расход керамических материалов и раствора для кладки и снизить стоимость строительства. Например, применение высокопустотного керамического камня позволяет сократить толщину наружных стен с 64 до 38 см, т. е. на 40 %.

Но кирпич, в том числе и эффективный, и мелкие камни являются мелкоштучным материалом. Изготовление же из них стеновых панелей и крупных блоков в заводских условиях позволяет получать индустриальные изделия.

По теплотехническим свойствам и плотности кирпич и камни делят на три группы: 1) эффективные с высокими теплотехническими свойствами, позволяющими уменьшить толщину стен по сравнению с толщиной стен, выполненных из обыкновенного кирпича; к этой группе относятся кирпич плотностью до 1400 кг/м3 и камни плотностью не более 1450 кг/м3; 2) условно эффективные, улучшающие теплотехнические свойства ограждающих конструкций; к этой группе относятся кирпич плотностью свыше 1400 кг/м3 и камни плотностью 1450... 1600 кг/м3; 3) обыкновенный кирпич плотностью свыше 1600 кг/м3.

4. Генезис глин и каолинов. Причины разложения полевошпатовых пород.

Гли́ на — мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы.

Каоли́ н — глина белого цвета, она же белая глина, состоящая из минерала каолинита. Образуется при разрушении (выветривании) гранитов, гнейсов и других горных пород, содержащих полевые шпаты (первичные каолины). В результате перемыва первичных каолинов и происходит переотложение их в виде осадочных пород; образуются вторичные каолины, называемые также «каолиновые глины». Формула: Al2O3*2SiO2*2H2O.

Основные свойства каолина — высокая огнеупорность, низкая пластичность и связующая способность.

Глины образовались в результате естественного выветривания магматических полевошпатовых горных пород – в основном гранитов, вулканического стекла, туфов, порфиритов, а также за счет разрушения метаморфических пород (гнейсов). Полевые шпаты в результате выветривания превращаются в глинистое вещество, которое образуется в основном в виде минералов каолинита по следующей схеме:

К20. Al2O3. 6SiO2+2H2O+CO2 = Al2O3. 2SiO22H2O+К2C03+4SiO2.

Причинами такого разложения полевошпатовых пород являются физическое (колебания температур, замерзание воды, кристаллизация солей), химическое (под действием кислорода воздуха, углекислоты, воды, органических кислот) и биологическое (жизнедеятельность микроорганизмов) выветривания. Минералы коры выветривания образуются двумя путями – синтетическим, например преобразованием полевого шпата в отдельные окислы - Al2O3 и SiO2 и коагуляцией этих окислов в минерал состава каолинита и путем гидролиза первичных минералов. Так как граниты составляют примерно 2/3 всех изверженных пород (т. е. их имеется в природе значительно больше, чем других), то в осадочных породах имеется наибольшее количество глин (как продукта распада наиболее распространенных минералов магматических пород – полевых шпатов, например, ортоклаза, альбита, анортита). Подсчитано, что земная кора состоит из 95 % магматических пород и 5 % осадочных, из которых 4 % составляют только глины. Образовавшиеся глинистые минералы в зависимости от местных условий либо оставались на месте образования, либо переносились водой и льдом или ветром в другие места. В 1-ом случае глины называют остаточными или первичными (элювиальными), во 2-м – осадочными или вторичными. Первичные глины характеризуются непостоянством состава. Их гранулометрический состав меняется от тонкодисперсных (пылевидных) в верхней части залежи до грубодисперсных (зернистых) – в нижней, еще ниже остаточные глины постепенно переходят в неразложившиеся материнские (полевошпатовые) породы. Вторичные глины обычно более равномерны по составу и свойствам. Различают делювиальные, ледниковые и лессовидные осадочные глины.

5. Классификация глинистых минералов.

1) По гранулометрическому составу:

глины (50% частиц размером менее 0, 01 мм, в том числе 25% диаметром менее 0, 001 мм);

суглинки (30 – 40% диаметром мене 0, 01 мм, в том числе 10 – 15% диаметром менее 0, 001 мм);

лессы (рыхлые пористые породы с диаметром частиц 0, 01 – 0, 05 мм).

2)По огнеупорности:

огнеупорные (более 1580оС – глины, каолины);

тугоплавкие (о/у 1350 – 1580);

легкоплавкие (о/у < 1350оС)

3) По суммарному содержанию ∑ Al2O3 + ТiО2:

основные (30 – 40%);

полукислые (15 – 30%);

кислые (менее 15%).

4) По пластичности:

высокопластичные (П* > 25);

среднепластичные (П = 15 – 25);

умереннопластичные (П = 7 – 15);

малопластичные (П < 7);

непластичные – не образуют пластичного теста.

5) По содержанию красящих примесей (Fe2O3+TiO2):

беложгущиеся;

красножгущиеся.

6) По степени чувствительности к сушке

малочувствительные (Кч = 1);

среднечувствительные (1 – 1, 5);

высокочувствительные (> 1, 5).

7) По спекаемости:

сильноспекающиеся – (не оплавляются, но позволяют получить материал с водопоглощением менее 2%;

среднеспекающиеся (достигают без оплавления водопоглощения 2 ÷ 5%);

слабоспекающиеся (минимальное водопоглощение материала после обжига превышает 5%).

8) По запесоченности:

с высоким содержанием включений свободного SiO2 (более 10%);

со средним содержанием свободного SiO2 (5 ÷ 10%);

с низким содержанием свободного SiO2 (до 5%).

9) По минералогическому составу:

Мономинеральные – содержат 1 фазу:

каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые, тремолитовые.

Полиминеральные – содержат несколько фаз:

каолинито-гидрослюдистые с примесью кварца.

6. Минералогический состав глин.

Минералогический (вещественный) состав включает глинистое вещество и примеси. Глинистое вещество – комплекс глинообразующих минералов, главнейшие из которых – каолинит, монтмориллонит и гидрослюда. К глинистым минералам также относятся галлуазит, монотермит, бейделлит и др. Каолинит имеет частицы размером 1-3 мкм, он не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды, при сушке быстро отдает влагу. Каолины с небольшим количеством примесей огнеупорны, умеренно- и малопластичны, имеют светлую окраску. Ρ ист= - 1. 8-2. 2 г/см3, в кислой среде устойчив. Монтмориллонит – имеет частицы размером менее 1 мкм. Интенсивно поглощает воду, прочно ее удерживает и трудно отдает при сушке. При увлажнении сильно набухает и может увеличиться в объеме до 16 раз, легкоплавок, высокопластичен. Глинистые породы, в которых преобладают монтмориллонитовые минералы называются бентонитами. Бентониты – высокопластичны, дают значительную воздушную усадку, склонны к трещинообразованию при сушке и к вспучиванию при обжиге. Используются в качестве добавки для повышения пластичности и связующей способности. Гидрослюда имеет в своем составе оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Размеры частиц – в пределах 1 мкм. Гидрослюды умеренно- или среднепластичные, имеют пониженную температуру спекания. В зависимости от преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, гидрослюдистые, монтмориллонитовые, гидрослюдисто-каолинитовые, монтмориллонито-каолинитовые, монтмориллонито- гидрослюдистые и полиминеральные, которые содержат три и более глинистых минералов. Монотермит – тонкая механическая смесь гидрослюды и каолинита. Набухаемость и водопоглощение сильнее чем у каолинитов, является пластичной огнеупорной глиной. Примесями являются все составные части глинистой породы, не обладающие свойствами глинистых минералов. Примесями могут быть: - карбонатные включения; - железистые минералы; - щелочные оксиды; - органические примеси; - гипс; - растворимые соли; - слюда.

7. Химический состав глин.

Химический состав глин характеризует их пригодность для производства различных глин для производства изделий определенных видов. Химический состав глин представляют следующими оксидами: кремнезем в глинах 50-65, в запесоченных глинах -80-85%; глинозем от 14 до 45 % и выше, является тугоплавким оксидом, с повышением его содержания возрастает огнеупорность глин.

В зависимости от содержания оксидов алюминия глины подразделяются на высокоглиноземистые (свыше 45%), высокоосновные (38-45%), основные (28-38%), полукислые (14-28%) и кислые (менее 14%). В производстве изделий строительной керамики обычно используют основные и полукислые глины.

Оксиды щелочноземельных металлов: СаО-0, 5-20 %, МgО – 0, 2-4%, способствуют спеканию глин (3-4%), при больших количествах – повышают пористость черепка. Щелочные оксиды – Nа2О+К2О-5-6%, снижают водопоглощение глин. Оксиды железа –2-14%. Диоксид титана – не более 1, 5 %. ППП -3-15 %. SO3 – не более 0, 8 %.

Глинистую часть составляет особая группа минералов – тонкозернистые водные алюмосиликаты, которые и определяют основные свойства глин. Этим минералам присущи слоистые структуры – они состоят как бы из множества слоев особого строения и обладают спайностью.

В зависимости от строения слоев основные глинистые минералы подразделяют на группы:

1) минералы из двухэтажных слоев – одного тетраэдрического и одного октаэдрического; слои образуют структуры минералов каолинитовой группы (каолинит, диккит, накрит, галлуазит);

2) минералы из трехэтажных слоев – двух тетраэдрических и заключенного между ними одного октаэдрического слоя; к ним относятся минералы групп: монтмориллонитовой (монтмориллонит, нонтронит), вермикулитовой (вермикулит) и гидрослюдистой (гидромусковит, иллит, глауконит);

3) минералы из пакетов, сложенных из одного одноэтажного (октаэдрического) и одного трехэтажного слоев; к ним относятся минералы хлоритовой группы (хлорит);

4) особую группу глинистых минералов образуют минералы-сростки, представлющие собой сочетание структур из двух- и трехэтажных слоев (монотермит, бейделлит). В зависимости от того, какой элемент преобладает в тетраэдрах, возникают многочисленные разновидности монтмориллонита: Na - бентонит; Аl — монтмориллонит; Мg - сапонит; Fе - нонтронит (Н2Fе2Si209) железистый эквивалент каолинита.

8. Гранулометрический состав глин.

В состав глины входят различные по крупности частицы: 5, 0—0, 14 мм — песчаные фракции; 0, 14—0, 005 мм — пылевидные фракции и мельче 0, 005 — глинистые фракции. Огнеупорные глины являются высокодисперсными, содержание в их составе фракций меньше 0, 001 мм составляет 60—80%- В легкоплавких глинах преобладают фракции 0, 01—0, 005 и 0, 005—0, 001 мм, содержание же фракций с размером зерен меньше 0, 001 мм редко превышает 50%, а иногда их содержание составляет 6—10%- Большое влияние на связующую способность глин и их усадку оказывают фракции меньше 0, 001 мм.

Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше пластичность. Пластичность можно повысить добавлением высоко-пластичных глин. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов, называемых отощителями, — кварцевого песка, шамота, шлака, древесных опилок, крошки угля.

9. Примеси в глинах, их влияние на свойства глин.

В глинах наиболее характерных видов содержится (в % по массе): кремнезема – 46-85, глинозема – 10-35, оксида железа – 0, 2-10, диоксида титана – 0, 2-1, 5, оксидов щелочных металлов – 0, 1-6, сернистого ангидрида – 0-0, 5, потери при прокаливании (п. п. п. ) – 8-14.

Примеси в глинах находятся в виде тонкодисперсных частиц либо включений и оказывает существенное влияние как на формовочные свойства глин, так и на свойства готовых изделий.

Кварцевый песок, количество которого может достигать в глинах по массе 60%, ухудшает пластичность, связующую способность глин и повышает трещинообразование на стадии охлаждения в процессе обжига, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности и морозостойкости готовых изделий.

Оксид алюминия (глинозем – А1203) при повышенном его количество в глине приводит к увеличению температуры обжига и интервала спекания. А изделия с низким содержанием глинозма обладают невысокой прочностью.

Наличие железистых примесей (оксидов и гидроксидов железа, лимонит, пирит, сидерит) придает обжигаемым изделиям в зависимости от их количества цвет от светлокремового до красно-бурого. Глины с повышенным содержанием красящих оксидов железа могут слуюить природными пигментами: до 25% гидроксида железа – желтая охра, до 40% оксида железа -красная охра, до 60% оксида железа – яркокрасный сурик и др. В определенных количествах железистые соединения повышают количество керамических изделий, а также указывают на способность глин к вспучиванию.

Включения пирита и гипса являются причиной появления на поверхности готовых изделий зеленоватых выцветов и выплавов.

Наличие сульфатов вызывает после обжига появление на поверхности изделий высолов.

Карбонатные примеси (кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания, повышают пористость и понижают прочность готовых изделий. Тонкодисперсные примеси карбонатных пород практически не оказывает влияние на качество стеновой керамики, но очень вредны для производства изделий с плотным черепком – напольных плиток, канализационных труб, дорожного кирпича. Крупные же включения (более 1 мм) переходят при обжиге сырца в известь, которая гидратируется, поглощая водяные пары из воздуха или при увлажнении изделий в службе, резким увеличением объема, приводящим к появлению локальных вздутий («дутиков») либо полному разрушению изделий.

Оксид кальция в виде СаС03 также понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, повышает пористость, снижает прочность и морозостойкость изделий.

Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями. Они понижают температуру обжига, повышают плотность и пористость изделий, ослабляют красящие свойства оксида железа.

Органические примеси в виде остатков растений и гумусовых кислот окрашивают изделия в темные тона, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно воздушную осадку. С увеличением их содержания возрастает пористость, тем самым снижая механическую прочность изделий. Они полезны при получении стеновой керамики, но нежелательны в производстве напольных плиток, особенно беложгущихся.

10. Непластичные материалы и добавки к глинам.

Отощающие материалы добавляют к пластичным глинам для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. Для этих целей используют дегидратированную глину, шамот, шлаки и золы, а также некоторые природные материалы (кварцевый песок, пылевидный кварц).

Порообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют (мел, молотый доломит и др. )

1. Кварцевые материалы – наиболее распространенные природные отощающие добавки. К ним относятся жильный кварц, кварцевые пески и кремень. Они состоят из кремнезема и являются отощителями из-за способности не давать усадку при сушке и обжиге. Кварц и его кристаллические разновидности устойчивы к действию кислот (за исключением плавиковой) и менее стойки к щелочам. 2. Пылевидный кварц (маршаллит) – это природное вещество от серовато-белого до чисто белого цвета, с высокой дисперсностью. Он не является чистым кремнеземом, так как содержит значительное количество щелочных оксидов. Маршаллит применяется в производстве изделий тонкой керамики.

3. Кременьпредставляет собой кристаллическую разновидность кремнезема и встречается в природе в виде кусков различной формы. После предварительного обжига лучшие сорта кремня без примесей железа используют в производстве тонкой керамики. Кремневую гальку применяют в качестве мелющих тел в шаровых мельницах для измельчения керамических масс и глазурей.

4. Шамот изготовляют обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000…1400°С. Его применяют как отощитель керамических масс, при производстве облицовочных плиток, фарфора и фаянса, шамотных огнеупоров. Шамот в отличие от других отощителей не понижает огнеупорности масс.

5. Дегидратированная глина применяется при недостатке отощителей. Она получается нагреванием обычной глины до 600…700°С, когда та теряет пластичность при удалении химически связанной воды. Ее применяют чаще в производстве грубой строительной керамики. Это позволяет снизить сроки сушки без появления трещин на изделиях, расширить базу отощителей.

6. Известняк является отощающей и разрыхляющей добавкой. При нагревании до 910°С карбонаты разлагаются на СО2 и СаО, поэтому нельзя применять известняк размером более 0, 63 мм, чтобы исключить растрескивание керамики.

Флюсующие материалы (плавни)– это материалы, взаимодействующие в обжиге с глинистыми минералами с образованием более легкоплавких соединений. Поэтому введение в состав массы плавней улучшает степень спекания и снижает температуру обжига. Плавни делят на две группы: флюсующие, имеющие низкую температуру плавления, – полевые шпаты, пегматиты, сиениты – и материалы с высокой температурой плавления, но дающие при обжиге легкоплавкие соединения с компонентами массы – мел, доломит, тальк.

1. Полевые шпаты представляют собой плавни, широко применяемые в производстве тонкой керамики. Различают следующие виды полевых шпатов.

Калиевый полевой шпат (ортоклаз) – K2O•Al2O3•6SiO2. Цвет его от белого, серого, желтоватого до коричнево- и темно-красного в зависимости от примесей. Плотность – 2, 55 г/см3. Температура начала плавления – 1200°С.

Натриевый полевой шпат (альбит) – Na2O•Al2O3•6SiO2. Цвет белый, чаще светлых оттенков, но встречается также красного, желтого, серого и других тонов. Плотность – 2, 6 г/см3, температура плавления – 1160…1190°С.

Известковый полевой шпат (анортит) – СаО•Al2O3•2SiO2. Обычно желтоватого цвета. Температура плавления около 1550°С.

2. Нефелиновые сиениты используются керамической промышленностью в качестве заменителей полевых шпатов при производстве изделий, не требующих белизны черепка.

3. Доломит – используются как заменители мела и мрамора в производстве изделий тонкой керамики. Он оказывает на керамические массы более сильное флюсующее действие, что позволяет снизить температуру обжига масс и глазурей.

4. Тальк 4SiО•3МgO•Н2O имеет огнеупорность 1500…1520°С. Добавка талька в фаянсовую массу предотвращает образование трещин в глазурном слое – «цека» – и повышает термостойкость.

11 $$$ Назначение и классификация добавочных материалов.

Добавочные материалы вводят в состав пластичных масс, шликеров, глазурей, красок в незначительных количествах, причем эти материалы изменяют их рабочие свойства (пластичность, текучесть, цвет, температуру спекания, прочность и др. ), а также воздействуют на отдельные технологические процессы (например, помол каменистых материалов, роспуск глинистых материалов и др. ).

В качестве добавок, упрочняющих полуфабрикат и повышающих стойкость его к размоканию, при глазуровании применяют карбоксилметилцеллюлозу (КМЦ) и сульфитно-спиртовую барду (ССБ),

Карбоксилметилцеллюлоза вводится в фарфоровые массы от 0, 1 до 0, 5 % от массы каолина и позволяет снизить водосодержание шликера почти в 2 раза, повышает прочность при изгибе изделий в высушенном состоянии на 30-50%, улучшает гидратацию глинистых частиц. Но необходимо также учитывать, что КМЦ затрудняет обезвоживание массы на фильтр-прессах, поэтому лучше вводить ее в литейный шликер.

Сульфитно-спиртовая барда - щелочная вытяжка, получаемая из ржаной или овсяной соломы, из бурого угля или торфа. ССБ способна не только стабилизировать шликер, задерживать осаждение твердой фазы, но и увеличивать прочность высушенного необожженного изделия, уменьшать размокаемость, ускорять помол и т. д. Добавка 0, 5-1, 5% ССБ к керамической массе сокращает длительность ее помола на 10-20%. При достижении критической концентрации ССБ в растворе активность ее падает. Избыток ССБ приводит к образованию на поверхности изделий пленки, затрудняющей оправку и глазурование изделий. Ввод ССБ в шликер может вызвать вспенивание шликера, что удлиняет время набора массы на стенки гипсовых форм, а набранная масса пориста и непрочна. В качестве пеногасителей используют кремнийорганические полимеры (полиметилсиликон и др. ), которые вводятся в количестве 0, 003- 0, 004 % массы сухих компонентов шликера.

Добавочными материалами являются и электролиты. Их вводят в керамические суспензии в количестве 0, 02-0, 5% по массе твердой фазы с целью повышения текучести шликера или глинистой суспензии при минимальной влажности. К электролитам относятся: сода, щавелевокислый натрий, щавелевокислый аммоний, пирофосфорнокислый натрий, дубильный экстракт, жидкое стекло (силикат натрия), триполифосфат и др.

Наиболее эффективный электролит - смесь жидкого стекла и соды.

Минеральные добавки, вводимые в фарфоровые массы в количестве 1-3%, не оказывая влияния на структурно-механические свойства пластичных масс или литейных шликеров, значительно влияют на процессы формования материала изделий при их обжиге, их структуру и свойства, интенсифицируют процесс обжига, изменяют температуру обжига. К ним относятся глинозем технический, тальк и др.

Глинозем технический марок ГК, ГО, Г-1 - оксид алюминия Al2O3. Введение его в керамические массы повышает механическую прочность изделий, их устойчивость к воздействию высоких температур, огнеупорность. Введение глинозема в шихту фарфоровых масс повышает концентрацию алюминия Al+3 в полевошпатовом расплаве и способствует росту кристаллов муллита 3 Al2O2 • 2SiO2 в фарфоре. Тем самым повышается микротвердость стеклофазы и вязкость расплава, удлиняется интервал спекания, повышается температура спекания, улучшаются эксплуатационные свойства (термостойкость, плотность материала, механическая прочность, белизна фарфора). Кроме того, введение глинозема в массы снижает температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и просвечиваемость фарфора.

12$ Выгорающие добавки, виды, цель их введения в керамическую массу.

В производстве стеновой керамики в зависимости от природных свойств глины используют следующие виды добавок: отощители, пластификаторы, флюсующие (плавни), топливосодержащие, регулирующие высолы на его поверхности, окрашивающие. В большинстве случаев введение добавок оказывает комплексное влияние.

В качестве отстающих добавок используют песок, шамот, дегидратированную глину, тонкомолотый шлак, золу ТЭС и др. в количестве от 10 до 30 % по массе.

Кварцевый песок — распространенный отощитель. При

обычных температурах обжига изделий он не взаимодействует с расплавом и тем самым способствует устойчивости изделий при сушке и обжиге.

Древесные опилки армируют глиняную массу, улучшают формовочные свойства, повышают трещиностойкость при сушке, однако снижают прочность изделий и повышают их водопоглощение. Более эффективно применять 5—10% опилок в сочетании с минеральными отощителями.

Отвальные и гранулированные шлаки черной и цветной металлургии, топливные шлаки снижают чувствительность сырца к сушке, повышают трещиностойкость и улучшают процесс обжига.

добавок сводится к измельчению или просеиванию их до заданного зернового состава.

Пластифицирующие добавки используют для придания

малопластичному (тощему) глинистому сырью необходимой

формуемости, улучшения сушильных свойств и получения прочных

изделий. В качестве пластифицирующих и одновременно обогащающих добавок применяют высокопластичные, тонкодисперсные, огнеупорные или тугоплавкие глины, отходы добычи и обогащения углей, бентонитовые глины, а также органические и ПАВ, электролиты. СДБ, технический лигнин, триэтаноламин. Высокопластичные глины добавляют в количестве до 5 %, лигносульфонаты в виде растворов - 0, 3-0, 5 % в расчете на сухое вещество. Они повышают пластичность сырья благодаря образованию на поверхности глинистых частиц адсорбционных пленок, играющих роль смазки. Наиболее эффективный способ введения пластифицирующих добавок — в виде шликера или суспензии вместе с водой затворения.

В качестве корректирующих шихту добавок в производстве изделий стеновой керамики могут использоваться экологически безвредные отходы производства и специально приготовленные добавки [8, 13, 14].

Выгорающие добавки выгорают при обжиге изделий. К таким добавкам относятся: древесные опилки, каменные и бурые угли, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС, гидролизный лигнин и др. Количество добавок в шихте составляют 2, 5-15 % по объему.

13 Плавни, цель их введения в керамическую массу.

Флюсующие добавки (плавни) снижающие температуру обжига изделий в результате взаимодействия с основной керамической массой и образованием легкоплавких соединений, способствуют появлению жидкой фазы при обжиге изделий при более низких температурах в результате образования с компонентами основного сырья низкотемпературных эвтектик. В качестве флюсующих добавок используют тонкомолотый бой стекла, шлаки, пиритные огарки нефелин-сиенитовый концентрат, перлит, доломиты, диабазы, атьбитофиры, полевые шпаты и др.

Химический состав глин колеблется в широких пределах, и входящие в состав глин оксиды по разному влияют на процесс получения конечные свойства керамики.

Наличие сульфатов вызывает после обжига появление на поверхности изделий высолов.

Органические примеси (п. п. п. ) в виде остатков растений и гумусовых кислот окрашивают изделия в темные тона, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно воздушную осадку. С увеличением их содержания возрастает пористость, тем самым снижая механическую прочность изделий. Они полезны при получении стеновой керамики, но нежелательны в производстве напольных плиток, особенно беложгущихся

Отощающие добавки, цель их введения в глинистое тесто. Глинистое сырье в чистом виде применяется редко. Чаще всего его используют в смеси с непластичными материалами— добавками, введение которых позволяет скорректировать природные свойства глинистого сырья и придать конечному продукту необходимые, заранее заданные эксплуатационные свойства. Смесь природного глинистого сырья с добавочными материалами называют шихтой. По своему происхождению добавки могут быть природными, искусственными (специально получаемые или из отходов промышленности).

По назначению добавки классифицируют как отощающие, парообразующие, пластифицирующие, плавни (флюсующие), специального назначения (разувлажняющие, против выцветов, разрушающие известковые включения, окрашивающие, противоморозные).

Отощающие добавки вводят в шихту с целью улучшения сушильных свойств и уменьшения воздушной и огневой усадки керамических масс.

Добавки этой группы практически не имеют усадки и, образуя своеобразный минеральный скелет в отформованном изделии, повышают капиллярность керамической массы. Благодаря этому сокращается продолжительность сушки, исключается коробление сырцовых изделий и образование на их поверхности усадочных трещин.

К природным добавкам относятся кварцевые пески, песчаники, кварциты, кремнеземсодержащие породы (диатомит, трепел, опока) и отходы угледобывающей промышленности (негорелые шахтные породы).

К числу искусственных, специально получаемых отощающих добавок относятся дегидратированная глина, которая получается в процессе обжига глины при температуре 500-600 °С, и шамот, получаемый путем дробления до требуемого размера предварительно обожженных волюшек из огнеупорной или ту-гоплавкой глины. Различают высокожженный шамот (получают при Т = 1200-1400 °С) и низкожженный шамот (получают при Т = 700-1200 °С).

Такие отходы промышленности, как топливные шлаки и золошлаковые смеси, золы ТЭС, отвальные и гранулированные металлургические шлаки, горные породы угледобычи, отходы обогащения бокситов, опилки, лузга подсолнечника и др., широко используют в качестве отощающей добавки.

Парообразующие добавки вводятся в керамическую массу с целью получения облегченных изделий с улучшенными теплофизическими свойствами. Они подразделяются на органические, минеральные и пенообразующие.

Создание поровой структуры органическими добавками (древесные опилки, молотый уголь, лузга, торф, зола уноса и др. ) связано с процессом их выгорания при обжиге и образованием пустот в теле материала.

Минеральные порообразующие добавки (плотные и пористые известняки, мел, доломит, глинистый мергель) обеспечивают создание пористой структуры керамического черепка за счет их диссоциации, протекающей при обжиге, за счет выделения углекислого газа

При использовании пенообразующих добавок глиняное тесто механически смешивается с устойчивой и упругой пеной, предварительно приготавливаемой в пеногенераторах. Полученная масса разливается по формам, сушится и обжигается.

Пластифицирующие добавки используются для придания глинистому сырью требуемых формовочных свойств. Для этих целей применяют: высокопластичные глины (число пластичности > 25), поверхностно-активные вещества, электролиты.

Плавни (флюсы) — добавки, образующие с глинистыми веществами при обжиге легкоплавкие соединения, «склеивающие» зерна более тугоплавких компонентов, что позволяет снизить температуру обжига керамики. Они подразделяются на собственно и намни (полевошпатные горные породы, пегматиты, перлиты, железосодержащие руды), имеющие низкую температуру плавления, и несобственно плавни (известняки, мел, доломит, магнезит, мраморы), способные при обжиге образовывать легкоплавкие соединения.

Добавки специального назначения используются для разувлажнения сырья, нейтрализации вредных примесей, окрашивания, повышения морозостойкости изделий.

Разувлажняющие добавки регулируют влагосодержание глинистых масс (дегидратированная глина, известь-пушонка, строительный гипс и др. ).

Добавки, нейтрализующие действие вредных примесей, химически взаимодействуют с примесями с образованием нейтральных соединений. Так, для нейтрализации вредного влияния растворимых солей, образующих высолы на изделиях, в состав массы вводят хлористый или углекислый барий. При этом протекает следующая реакция: CaS04 + ВаСО=CaC03 +BaS04 с образованием малорастворимых соединений. Карбонатные включения (СаСО3 и MgC03) обезвреживают путем введения в шихту 0, 5-1% хлористого натрия (соль) или натрия. Они способствуют химическому взаимодействию СаО с SiO2 и А1203 с образованием силикатов или алюминатов при температуре обжига 900-1000 °С. Окрашивающие добавки вводят в состав шихты для изменения цвета. Для этого используют минеральные пигменты, марганцевые, железистые, фосфатные руды или чистые оксиды металлов. Для отбеливания (осветления) керамического черепка в его состав вводят карбонатные породы.

Для повышения морозостойкости керамических изделий в массу рекомендуется вводить до 2, 5% растворов хлоридов (NaCl илиКСl, А1Сl3).

15, Классификация глин по огнеупорности и по спекаемости.

Огнеупорность глины зависит главным образом от ее химического состава. Природные глины обычно содержат в своем составе загрязняющие примеси, которые часто снижают их огнеупорность. Особенно сильное влияние в этом направлении оказывают различные плавни - соединения щелочных и щелочно-земельных металлов, а также окислы железа. [3]

Огнеупорность глин не является показателем их пригодности для изготовления каменных изделий. Важно, чтобы интервал спекания глин был возможно больше, так как это позволяет избежать размягчения и последующей деформации изделий в процессе обжига. [5]

Огнеупорность глин зависит от их химического и минералогического состава. [6]

За огнеупорность глины , как и других керамических материалов, условно принимают температуру, при которой стандартный образец - трехгранная усеченная пирамида из испытуемого материала со стороной нижнего основания 8 мм, верхнего 2 мм и высотой 30 мм или подобный ему образец - настолько размягчается, что его вершина наклоняется и слегка касается подставки, на которой он установлен. [7]

По степени огнеупорности глины делятся на три группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. [8]Спекаемость— способность глин под действием высоких температур превращаться в плотный камне-подобный черенок с водопоглощением менее 5%. В зависимости от степени спекания глины делят на сильно-спекающиеся, среднеспекающиеся и неспекающиеся. К сильноспекающимся относят глины, способные при обжиге давать черепок без признаков пережога с водопоглощением не выше 2%. Водопоглощение черепка среднеспекающихся глин не выше 5%, а неспекающихся — свыше 5%.

По температуре спекания различают глины низкотемпературного спекания (до 1100°С), среднетемпера-турного (от 1100 до 1300 °С) и высокотемпературного (свыше 1300°С).

Количественно степень спекаемости глин характеризуется температурным интервалом спекания и интервалом спекшегося состояния. Температурным интервалом спекания называют разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога (оплавление или вспучивание), и температурой началу спекания глины, при которой начинается интенсивное уплотнение обжигаемого материала. Разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога, и температурой, при которой водопоглощение материала равно 5% (ниже этой величины лежит область спекшегося состояния), называют интервалом спекшегося состояния.

' Интервал спекания — важнейший технологический показатель, он определяет режим конечной стадии обжига изделий, при котором они приобретают кондиционные свойства. Наименьший интервал спекания у легкоплавких глин (50—100 °С), а наибольший (до 400 °С. ) — у огнеупррных.

Спекаемость — одно из основных свойств, определяющих пригодность глин для производства изделий фасадной керамики.

16. Пластичность глин и классификация глин по пластичности

Пластичностью глин называется их способность давать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних усилий может принимать любую форму и сохранять ее после прекращения действия внешних усилий. Под водой затво-рения подразумевают количество воды, необходимое для придания глине нормальной рабочей консистенции, выражаемой в % от массы сухой глины. К навеске прибавляют воду при непрерывном постепенном перемешивании массы, пока глина не приобретает нормальной влажности. Для определения нормальной влажности глиняного теста пользуются прибором с иглой. При добавлении к глине более 28—30% воды глина теряет пластичность и превращается в жидкую текучую массу — шликер.

Количественной мерой пластичности (ГОСТ 9169—59) является разность влажностей между нижней границей текучести W1 и границей раскатывания глины в жгут W2.

Число пластичности П вычисляют по формуле

П= W1- W2

где W1 — влажность глиняной массы при нижней границе текучести, %; W2— влажность глиняной массы при верхней границе раскатывания, %

За число пластичности принимается среднее арифметическое двух определений.

В зависимости от числа пластичности П глины делятся на пять классов: высокопластичные с числом пластичности более 25. среднепластичные — от 15 до 25, умеренно-пластичные — от7 до 15, малопластичные — менее 7 и непластичные, не образующие пластичного теста.

17. Пластичность глин. Способы увеличения и снижения пластичности глин.

Пластичность глины - это способность изменять и сохранять форму при лепке без образования трещин. Она находится в прямой зависимости от физического строения глинистых частиц, которое в свою очередь определяется структурой горной породы, образовавшей глину, и временем переноса водой глиняных частиц. Особое влияние на увеличение пластичности глин имеет включение минерала монтмориллонита*. Можно искусственно улучшить пластические качества глины путем ее вымораживания или выветривания. Для этого глину укладывают грядками и оставляют на воздухе на несколько месяцев. Под воздействием воздуха, дождя или холода (мороза) органические примеси разлагаются, глина приобретает более тонкое строение и становится пластичной. По другому способу глины вылеживаются в ямах скульптурных мастерских в сыром состоянии. Считается, что при этом способе хранения главную роль играют факторы биологического характера - действие бактерий (в частности, Bacillus Sulphures), легко развивающихся при температуре 37-38° С. Кроме того, при вылеживании в глине происходят процессы физического и химического характера. Полевые шпаты и слюда, гидролизуясь, отдают в раствор кремнекислую щелочь. Последняя также гидролизуется и под действием углекислоты образует углекислую щелочь и коллоидный раствор кремневой кислоты. Сернистые соединения железа разлагаются, выделяя сероводород. При газообразовании газы, выделяясь, разрыхляют и перемешивают массу. Вылежанные глины наиболее предпочитаются скульпторами. Иногда для повышения пластичности и водоудерживающей способности глины в нее добавляют растительное масло (до 20% от веса глины). Лучшими для этой цели считаются сырое хлопковое или касторовое масло, но применяют и другие несохнущие растительные масла. По другому способу для повышения пластических свойств в глину добавляют до 10% танина, крахмала, декстрина или раствора кальцинированной соды. К ней добавляют также дубильную кислоту, что одновременно уменьшает высыхание и усадку. Существует и старинный способ повышения пластичности глины добавлением к ней отвара соломы.

18 Механические свойства: формуемость, растяжимость, пластичность и связующая способность глин.

Механические свойства глин проявляются при воздействии на них внешних усилий. Важнейшим из них является пластичность. На практике под пластичностью глин подразумевают их способность давать при затво-рении водой тесто, которое может принимать под влиянием внешних усилий любую форму, без появления трещин и разрывов, и сохранять ее после прекращения действия внешних усилий.

Формуемостьглинистой массы – способность массы деформироваться без нарушения структуры.

Растяжимость глин – предельное относительно удлинение при разрыве. Установлено, что величина растяжимости существенно влияет на трещиностойкость изделий при сушке. В среднем для легкоплавких глин, широко используемых в производстве стеновых материалов, величина растяжимости составляет 0, 2-1, 3%.

Пластичность – способность глины принимать любую форму без разрыва сплошности под воздействием внешних усилий и сохранять ее после снятия нагрузки. Можно сказать, что пластичность – это одно из состояний глины (в отличие от хрупкого и вязко-текучего состояний), т. е. промежуточное состояние. В этом состоянии влажность пластичной массы колеблется от 16 до 40 % в зависимости от минералогического состава глины. С увеличением влажности выше критической глина переходит в вязко-текучее состояние.

Водные оболочки глинистых частиц, обеспечивают хорошее скольжение частиц друг относительно друга при воздействии на них внешних усилий.. В то же время пластичная масс обладает определенной прочностью, достаточной для сохранения образцом формы под действием собственного веса. Эта прочность обусловлена силами межмолекулярного притяжения и капиллярного давления. Другими словами вода, с одной стороны, стягивает глинистые частицы, не давая им расползаться, а с другой – обеспечивает сдвиговую подвижность глинистых частиц.

Количественной мерой пластичности в соответствии с действующими нормативно-техническими документами является число пластичности – разница влажности глины в состоянии нижнего предела текучести и верхнего предела раскатывания

П = Wн. т. - Wв. р. [%]

19. Связность и связующая способность глин.

Связующая способность глин - их способность связывать частицы непластичных материалов и образовывать при затворении водой хорошо формующуюся массу без значительной потери прочности сформованного сырца. Определяется она максимально возможным количеством чистого кварцевого песка, при добавке которого можно получить массу с хорошими формовочными свойствами. [3]

Связующая способность глины обычно характеризуется предельным количеством нормального песка, при добавке которого в глину образуется хорошо формующееся тесто. [4]

Чем выше связующая способность глины, тем больше перлита можно ввести в шихту, тем, следовательно, меньше будет средняя плотность изделий при достаточно высокой их прочности.

20. Водные свойства глин. Влагоемкость глин.

Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой. Поэтому для раскрытия и понимания механизма этих свойств необходимо прежде всего рассмотреть строение системы глина - вода.

В обычном житейском понимании вода представляется нам средой вполне однородной, а молекула воды - электрически нейтральной. Однако по отношению к воде, окружающей элементарное зерно глинообразующего минерала, это вовсе не так. В действительности отдельные слои водной оболочки, окружающей глинистый минерал, физически неоднородны, а молекула воды имеет дипольное строение и, следовательно, концы ее электрически заряжены. Элементарное зерно глинообразующего минерала имеет всегда отрицательный электрический заряд либо вследствие явлений изоморфного замещения катионов в кристаллической решетке, либо вследствие наличия оборванных некомпенсированных связей на ее концах. С учетом этих факторов строение комплекса глина — вода для элементарного глинистого зерна в самом схематическом приближении можно представить в следующем виде. Поверхность зерна / глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды (знаки минус), которые создают вокруг него силовое поле. Под его воздействием дипольные молекулы воды своим положительным концом Н+ ориентируются по направлению к отрицательному заряду зерна и плотно окружают его поверхность, образуя мономолекулярный 2 и далее полимолекулярный слой адсорбированной воды. Эти слои, будучи сильно сжаты под воздействием силового поля, образуют (по терминологии почвоведов) прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами. По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля, а следовательно и интенсивность притяжения молекул воды, убывает. Молекулы воды, относительно удаленные от поверхности зерна, но все же находящиеся под воздействием его силового, хотя и слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой, в котором вода является (по той же терминологии) рыхлосвязанной. Таким образом, зерно глинообразующего минерала окружено несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с различной силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Поскольку связанная вода находится в сильно сжатом состоянии под давлением, достигающим 3000 кГ/см2, то ее свойства резко отличны от свойств обычной воды и сходны со свойствами твердого тела: ее теплоемкость составляет всего 0, 7 ккал/кг - град, она не растворяет некоторых веществ (например, сахара), хорошо растворяющихся в обычной воде, плотность ее составляет у каолинов 1, 065, а у глин 1, 114 г/см3, она не обладает электропроводностью, температура замерзания ее достигает минус 70° С.

Влагоемкость представляет собой способность глины вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее вопреки действию силы тяжести. Вода в глине удерживается не только силами молекулярного притяжения; в диффузный слой часть воды проникает также путем осмотического всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться еще и капиллярными силами. И осмотические и капиллярные силы от-носительно невелики по сравнению с силами молекулярного притяжения, поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группы свободной воды. Величина влагоемкости глины зависит от ее дисперсности и минералогического состава: с увеличением дисперсности, а следовательно и удельной поверхности глины, ее влагоемкость возрастает. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей влаго-емкостью, каолинитовые – наименьшей

21. Строение системы «глина- вода».

Взаимодействие воды с сухой глиной начинается со смачивания ее поверхности. Процесс смачивания поверхности частиц протекает с выделением тепла и сопровождается уменьшением суммарного объема системы глина—вода, т. е. контракцией. Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью. При смачивании сухой глины ощущается характерный запах увлажняемой земли и выделение тепла. Молекулы воды (диполи) втягиваются между чешуйчатыми частицами каолинита и расклинивают их (рис. 1), вызывая набухание глины. Поверхность глинистого зерна имеет отрицательный заряд, создающий вокруг частицы силовое поле, под воздействием которого дипольные молекулы воды притягиваются своими положительно заряженными концами к отрицательно заряженному зерну. Таким образом они окружают глинистую частицу плотным мономолекулярным и затем полимолекулярным слоями адсорбированной воды..

Вода в адсорбционных слоях образует прочно связанную воду (адсорбционный слой), которая обладает особыми свойствами вследствие того, что находится в сжатом состоянии (давление достигает 300 МПа) под воздействием силового поля. Плотно связанная вода не растворяет сахар, не обладает электропроводностью, ее плотность достигает 1, 114 г/см³, а температура замерзания –70 ^оС.

По мере удаления от поверхности глинистого зерна напряженность силового поля частицы уменьшается, интенсивность притяжения молекул воды частицей убывает. Молекулы воды, находящиеся под воздействием относительно слабого силового поля имеют некоторую свободу перемещения. Они уже не так прочно связаны с частицей и образуют диффузионный слой, в котором вода находится в рыхло связанном состоянии. Вода, находящаяся в промежутках между отдельными гидратированными частицами глины, называется свободной (или механически примешанной) водой. Именно такая вода разжижает глинистую суспензию. Перевод части воды из рыхло связанной воды (т. е. из диффузионного слоя глинистой частицы) в свободную воду позволяет улучшить формуемость пластических масс и текучесть глинистых суспензий без увеличения их влажности.

22. Набухание глин. Зависимость его от состава глин.

Набухаемость

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.

Набухаемость глинистых пород является их важным свойством.

Объясняя природу набухания глин, следует отметить, что этот процесс проходит в две стадии: первая стадия - адсорбционное или внутрикристаллическое набухание, вторая - макроскопическое или " осмотическое" набухание. На первой стадии глинистая порода впитывает влагу за счет адсорбции молекул воды поверхностью глинистых частиц и межслоевыми промежутками кристаллической решетки глинистых минералов. Эта стадия практически не влияет на изменение объема породы. На второй стадии набухания поглощение влаги осуществляется с помощью осмотического давления. Оно возникает вблизи поверхности глинистых частиц за счет избыточной концентрации многочисленных обменных катионов отдиссоциированных (отошедших) с поверхности глинистых частиц в раствор. Основное увеличение объема набухающей глины происходит именно на этой макроскопической стадии.

По величине давления набухания глинистые породы подразделяются на ненабухающие; слабонабухающие; средненабухающие (Pн = 0, 1-0, 25 МПа) и сильнонабухающие. Величина и характер набухания глинистых пород определяются многими факторами, основными из которых являются рассмотренные выше минеральный состав, дисперсность и структура. Наибольшим набуханием обладают глинистые породы, в составе которых имеются глинистые минералы с подвижной кристаллической структурой (например, монтмориллонит), наименьшим - минералы с более жесткой кристаллической структурой (каолинит). Сильное влияние на набухание глин оказывает и их структура, при этом определяющее значение имеет характер структурных связей и тип контактов между минеральными частицами. Наибольшее набухание характерно для глинистых пород с переходными контактами, наименьшее - для глин с фазовыми контактами.

Глинистые породы, обладающие преимущественной ориентацией структурных элементов, характеризуются ярко выраженной анизотропией набухания. Наибольшее набухание отмечается в направлении, перпендикулярном ориентации частиц. В ходе процесса набухания происходит существенная перестройка исходной микроструктуры глинистой породы.

23. Понятие «тиксотропии» и влияние ее на технологические свойства глин.

Тиксотропное упрочнение – это способность влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться при неизменной влажности.

Тиксотропия, как мы знаем — это увеличение вязкости жидкости, не испытывающей механического воздействия.

Самые распространённые тиксотропные системы, встречающиеся в природе — это вода+глина. Вы и сами можете провести несложный опыт — размешайте глину с водой 1: 1 и вы получите массу, которая будет загустевать со временем, однако, после интенсивного перемешивания, снова станет такой же, как жидкая сметана. Дело в том, что частички глины в воде при превышении определённой концентрации начинают взаимодействовать между собой и образовывать связи. Связи эти непрочные и рвутся легко (перемешиванием или встряхиванием), но именно они и определяют возросшую вязкость системы. Итак, чтобы сделать жидкость тиксотропной, в неё надо добавить так называемые «реологические добавки» — обычно это каолин или глина.

24. Классификация форм влаги в глиняных массах.

Взаимодействие глины с водой реализуется различными физическими и химическими процессами. По характеру свя-I различают три вида воды:

1)Химическую.

2)Физико-химическую.

3)Механическую.

Химическая вода в свою очередь делится на:

Кристаллизационную (воду структуры) — она не присутствует в молекулярной форме, поэтому интегрирована в структуру глинистой частички. Интенсивность такой связи достаточно высока, и гидроксид появляется в форме воды только при высокой температуре.

Конституционную, она присутствует в молекулярной форме и является частью кристаллической решетки глиняной частички. Ее освобождение разрушает кристаллическую структуру и ведет к необратимым процессам. Физические характеристики кристаллизационной воды сильно отличаются характеристик свободной воды, благодаря сильному взаимодействию элементов кристаллической решетки.

Цеолитную — она находится в пространстве между кристаллами и может быть в значительных объемах в монтмориллоните

Механическая вода — заполняющая капилляры при соприкосновении глины с водой (вода затворения). Она представляет тончайшую пленку (толщиной примерно 10 молекул), которая скрывает поверхность каждой частички и удерживается электростатическими силами. Эта пленка воды называется также гидросферой. Она обеспечивает вязкость и в то же самое время скольжение частиц под внешним воздействием, следовательно, хорошую обрабатываемость материала. Когда гидросфера тонкая и глиняные частички разделены, возможно свободное {как в потоке) перемещение, вызванное избытком воды.

Физико-химическая вода — это связанная адсорбционная и рыхло связанная вода (полуориентированная), удерживается электромолекулярными силами. Адсорбционная вода (гигроскопичная) зависит от температуры и относительной влажности внешнего воздуха.

25. Реологические свойства жидких и пластичных глиняных масс.

Реология — наука о деформациях и текучести вещества. Деформацией называют относительное смещение частиц материального тела без нарушения непрерывности самого тела. Если деформация идет непрерывно, то это значит, что материал течет. Течение может быть вязким (ньютоновским), когда оно происходит под действием сил, как бы малы силы ни были.

Реологические свойства:

- Пластичность

- Деформации

- Модуль упругости.

Реологическими свойствами горных пород принято называть изменение их механических характеристик под влиянием длительно действующих нагрузок. Установлено, что многие горные породы подвержены явлению ползучести, которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления ползучести в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

26. Развитие видов деформации в глиняных массах: быстрой эластической, медленной эластической, пластической.

В пластических массах возникает три вида деформаций:

-быстрая эластическая – происходит в первое мгновение после приложения в нем усилия, она связана с различным поворотом и упругой деформацией частиц дисперсной фазы.. При снятии нагрузки она быстро исчезает.

-медленная эластическая – развивается с момента приложения внешней нагрузки в течении 3-10 минут с постепенным уменьшающейся скоростью; она связана с нескольким смещением (скольжением) частиц относительно друг друга без разрыва межмолекулярной связи и разрушением структуры. Эта деформация обратима, восстановление происходит с некоторым замедлением.

-пластичая деформация- возникает только тогда, когда напряжения сдвига достигнет определенной величины называемой пределом текучесит. разрывы первичных контактов различных типов и образование новых, вторичных, происходящие при нагружениях системы выше условного статического предела текучести, составляющего пластическую деформацию.

27. Структурно-механические типы глин

Каолины – чистые глины. Состоят преимущественно из глинистого минерала каолинита (Al2O3. 2SiO2. 2H2O), имеющего двухслойный пакет с одним тетраэдрическим и одним октаэдрическим слоем, строение решетки плотное. Каолины огнеупорны, малопластичны, после обжига сохраняют преимущественно белый цвет. Из них изготавливают фарфор, фаянс и тонкие облицовочные изделия. Каолинит имеет относительно плотное строение кристаллической решетки. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды, и при сушке глины с большим содержанием каолинита сравнительно свободно и быстро отдают присоединенную воду. Каолинит малочувствителен к сушке и обжигу, слабо набухает в воде и обладает небольшой адсорбционной способностью и пластичностью. Размер частиц каолинита 0, 003-0, 001 мм. Основные разновидности каолинитовой группы – каолинит, диккит, накрит.

Монтмориллонит (Al2O3. 2SiO2. 2Н2О. nН2О) имеет трехслойный пакет – два тетраэдрических и один октаэдрический, слабую связь между пакетами. Кристаллическая решетка подвижная, разбухающая под действием воды (в кристаллическую решетку часто входят катионы Mg+2, Fe+3, Na+). Поэтому монтмориллонитовые глины способны интенсивно поглощать большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении с увеличением в объеме до 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк (< 0, 001мм). Они отличаются исключительно высокой связующей способностью. Эти глины имеют наиболее высокую дисперсность среди всех глинистых минералов, наибольшую набухаемость, пластичность, связность и высокую чувствительность к сушке и обжигу.

Основными представителями монтмориллонитовой группы являются: монтмориллонит, нонтронит, бейделит.

Галлуазит Al2O3. 2SiO2. 4Н2О включает галлуазит, ферригаллуазит и метагаллуазит, является частым спутником в каолинитах и каолинитовых 8 глинах. Галлуазит по сравнению с каолинитом обладает большей дисперсностью, пластичностью и адсорбционной способностью.

Гидрослюды K2O. MgO. 4Al2O3. 7SiO2. 2Н2О (иллит, гидромусковит, глауконит и др. ) являются продуктом многолетней гидратации слюд. Кристаллическая решетка сходна с решеткой монтмориллонита, за исключением того, что некоторая часть атомов кремния здесь всегда замещена алюминием, а образовавшийся недостаток зарядов сбалансирован ионами калия. По интенсивности связи с водой занимает промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом. Гидрослюдистые тугоплавкие глины широко применяют в производстве строительной керамики. Размеры частиц гидрослюды порядка 1 мк (~0, 001мм). В значительных количествах они встречаются в легкоплавких глинах и в небольших количествах в огнеупорных и тугоплавких глинах.

28. Оценка качества керамических масс по видам деформации.

На развитие деформационных процессов в глинистых системах существенно влияют типы и количество глинистых минералов, наличие примесей и их природа, концентрация твердой фазы и её дисперсность, количество и вид поверхностно-активных добавок.

Относительные деформации – быстрая эластическая, медленная эластическая и пластическая определяют в зависимости от их соотношения структурно-механический тип дисперсий.

Экспериментальными исследованиями С. П. Ничипоренко и др. выделены шесть структурно-механических типов структур глин в зависимости от соотношения величин относительных деформации – быстрой, медленной эластической и пластической, определяемых в сопоставимых условиях (обычно Р=0, 2 МПа, τ =1000 с)

1 – ε _б> ε _м> ε _плτ 2 – ε _м> ε _б> ε _плτ
3 – ε _м> ε _плτ > ε _б4 – ε _б> ε _плτ > ε _м
5 – ε _плτ > ε _б> ε _м6 – ε _плτ > ε _м> ε _б

Различные типы структур представляют в виде гистограмм – прямоугольников с одинаковым основанием, высота которых соответствует доле, вносимой той или иной составляющей в общую деформацию, или тройной диаграммой.

Глины различных типов ведут себя по-разному в процессах формования:

глины 1 и 2 структурно-механического типа с преобладающим развитием быстрых эластических деформации, что указывает на плохую формуемость керамических масс. Таким массам свойственно хрупкое разрушение структуры;

в керамических массах 5 и 6 типов – значительное развитие пластических деформации. Массы легко деформируются, что увеличивает свилеобразование при пластическом формовании изделий, т. е. проявляют склонность к пластическому разрушению (к трещинообразованию);

наиболее благоприятны для формования 3-го и особенно 4-го типов. Они хорошо формуются и образуют в керамические, фарфоровые, фаянсовые и другие изделия без дефектов. Масса проходит формующую часть пресса за 5-7 сек. В течение этого времени преобладающее развитие медленных эластических деформации способно полностью компенсировать возникающее во время формования кратковременные напряжения без нарушений сплошности выдавливаемой массы.

29. Коагуляционные структуры керамических масс и физико-механические основы их образования.

Технологический процесс производства керамических изделий является процессом создания и непрерывных изменений структуры керамической массы: измельчение, смешивание, переминание при обработке массы, образование коагуляционной структуры и деформирование при формовании, потери влаги и уменьшение размеров после сушки, образование кристаллизационной структуры и усадка в результате обжига.

Основными факторами, определяющими характер образования коагуляционных структур глинистых минералов являются их кристаллическая структура, форма частиц, дисперсность, число и характер нарушений решетки кристаллов.

Коагуляционные структуры керамических масс возникают под действием молекулярных сил сцепления коллоидных крупных частиц, взвешенных в жидкой среде суспензии или коллоидного раствора. Они отличаются от кристаллических структур способностью к тиксотропному упрочнению, ярко выраженными пластично-вязкими свойствами и сравнительно малой прочностью, что обуславливается наличием тонких прослоек дисперсной среды в местах контакта соединения между собой системы. Эти дисперсные системы в зависимости от степени развития структуры и ее упрочнения занимают промежуточное место между жесткими и твердыми телами, отличаясь такими механическими свойствами как вязкость, прочность, упругость, пластичность, т. е. способность к остаточным деформациям (без потери формы). По Ребиндеру эти структуры независимо от природы составляющих их твердых частиц проявляют способность к резко выраженному упругому последействию, свойственному каучукам и их растворам.

Образование коагуляционных структур возникает в результате сцепления частиц дисперсной фазы Вандер Ваальсовыми силами (силами межмолекулярного взаимодействия, имеющих электр-ю природу) в цепочке и неупорядоченной межпространственной сетки.

Развитию коагуляционной структуры во всем объеме способствует высокая дисперсность частиц, их мозаичность поверхности, а для глинистых минералов наличие участков с наименьшими развитием гидратных оболочек. Сцепление частиц следовательно за счет Броуновских соударении. При этом между контактирующими частицами остается весьма тонкая равновесная прослойка жидкой дисперсионной среды, которая не препятствует силам сцепления между частицами, вместе с тем абсорбционно прочно связана с поверхностью частиц, что не выдавливается даже силами сцепления между ними.

30. Понятие предела текучести (предельного напряжения сдвига).

Пределом текучести называют механическую характеристику материала, характеризующую напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки. Обозначение σ _т.

Единица измерения – Паскаль [Па] либо кратные [МПа].

Это важный параметр, с помощью которого рассчитываются допустимые напряжения для пластичных материалов.

После прохождения предела текучести в металле образца начинают происходить необратимые изменения, перестраивается кристаллическая решетка металла, появляются значительные пластические деформации. При этом металл самоупрочняется, об этом говорит то, что после площадки текучести деформации растут при возрастающем значении растягивающей силы.

Часто для данной механической характеристики дают формулировку «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация»^], не делая разницы с пределом упругости. В реальности значения предела текучести выше, чем предел упругости, примерно на 5%.

σ _т=Fт/S0

41. Термические свойства керамических материалов

Термические свойства керамических материалов проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.

Огнеупорность — способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Характеризуется она температурой, при которой стандартный образец в виде трехгранной усеченной пирамиды при нагревании в печи но заданному режиму размягчается и, оседая, касается своей вершиной подставки, на которой он укреплен.

Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под действием сил поверхностного натяжения силикатного расплава.

Спекаемость является вторым важным термическим свойством глин. Под спекаемостью понимают способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камневидного тела.

12 3 4 5 Следующая ⇒