Тема 5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Керамика - собирательное название широкой группы искусст­венных каменных материалов, получаемых формованием из глиня­ных смесей с последующей сушкой и обжигом. На древнегреческом языке «керамос» означало гончарную глину, а также изделия из обож­женной глины.

Керамика - древнейший строительный материал. Археологами обнаружены остатки зданий и сооружений из керамического кирпича в Древнем Египте и Ассирии, датируемые III-I тысячелетиями до на­шей эры. Кирпич был известен в Древней Индии и Китае. В Древней Греции керамика применялась для кровель и украшения фасадов. Первый храм Геры в Олимпии (VII в. до н. э.) имел черепичную кры­шу и украшения из терракоты.

Простота технологии и неисчерпаемая сырьевая база для произ­водства керамических изделий самых разнообразных видов предоп­ределили их широкое и повсеместное распространение. Этому способствовали также высокая прочность, долговечность и декора­тивность керамики. И в настоящее время керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

По назначению керамические изделия делят на следую­щие виды:

Стеновые (кирпич и керамические камни);

Кровельные (черепица);

Изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, терракото­вые плиты, мозаичные плитки и др.);

Изделия для внутренней облицовки стен;

Плитка для полов и элементы мощения;

Санитарно-технические изделия (умывальники, унитазы и тру­бы);

Специальная керамика (кислотоупорная, огнеупорная, теплоизоляционная);

Заполнители для легких бетонов (керамзит и аглопорит).

Материал, из которого состоят керамические изделия после об­жига, называют керамическим черепком.

В зависимости от структуры черепка керамиче­ские изделия разделяются на две группы: пористые и плотные.

Пористыми условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка более 5 % по массе (в среднем 8...20 %). К ним относят­ся все виды кирпича и стеновых камней, черепица, облицовочные плитки.

Плотными считают изделия, водопоглощение черепка у кото­рых менее 5 % (обычно 2...4 %); эти изделия практически водоне­проницаемы. К ним относятся плитки для полов, керамогранит, санитарный фарфор и т. п.

СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИКИ

Сырьевая масса для изготовления керамических материалов со­стоит из пластичных материалов (глин) и непластичных (отощающих и выгорающих добавок, плавней и др.). Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы, а после обжига - проч­ного и водостойкого черепка. Непластичные добавки улучшают тех­нологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, умень­шают усадку и снижают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (высокую пористость, пониженную теплопро­водность и т. п.).

Глины - основной сырьевой компонент керамики - осадоч­ные горные породы. Они состоят в основном из глинистых мине­ралов - водных алюмосиликатов различного состава (каолинит А1 2 О 3 2SiO 2 2Н 2 О, монтмориллонит А1 2 О 3 4SiO 2 2Н 2 О и др.). Размер частиц глинистых минералов не превышает 0,005 мм; преоб­ладающая форма частиц - пластинчатая. Благодаря своей гидрофильности и огромной площади поверхности глинистые частицы активно адсорбируют (поглощают и удерживают) воду. Именно глинистые минералы придают глине ее характерные свойства: пла­стичность при увлажнении, прочность при высыхании и способ­ность к спеканию при обжиге.

Кроме глинистых минералов в глине содержатся более крупные частицы: пыль (0,005...0,16 мм) и песок (0,16...5 мм). Они состоят из кварца, карбонатов кальция и магния и других минералов. Эти ком­поненты глин также влияют на ее технологические свойства и каче­ство готовых изделий.

Глины, как сырье для керамики, оценивают комплексом свойств: пластичностью, связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичность - способность глиняного теста деформироваться под действием внешних механических нагрузок без нарушения сплошности и сохранять полученную форму после прекращения воздействий. Пластичность глин объясняется тем, что при увлажне­нии глины на поверхности глиняных частиц появляются тончайшие слои адсорбированной воды. Эти слои, с одной стороны, обеспечи­вают возможность скольжения частиц друг относительно друга, а с другой - связывают эти частицы силами поверхностного натяже­ния, что обеспечивает сохранение формы изделий после формова­ния. Превалирование того или другого эффекта зависит от количе­ства адсорбированной глиной воды.

Пластичность оценивается количеством воды, необходимой для получения из глины удобоформуемой массы. Высокопластичные глины имеют высокую водопотребность и, как следствие, большую усадку при сушке:

Скорость сушки увлажненной глины определяется не скоростью испарения влаги с поверхности отформованного изделия, а скоро­стью миграции воды внутри глиняной массы от центра к поверхно­сти. Глина, будучи материалом «водонепроницаемым», тормозит продвижение влаги через свою толщу, чем замедляет сушку.

Чем больше в глине частиц глинистых минералов, тем она боль­ше требует воды, больше набухает, но труднее сохнет и дает боль­шую усадку. Такие глины называют «жирными». Глины, содержа­щие много песчаных частиц, характеризуются небольшой усадкой и набуханием, достаточно легко сушатся, но пластичность, т. е. фор­мовочные свойства, у нее пониженная. Такие глины называют «то­щими».

Таким образом, для получения требуемой сырьевой массы для керамики нужно выполнить два противоречивых друг дру­гу условия: смесь должна хорошо формоваться и легко су­шиться.

Смеси с оптимальным соотношением глинистых и песчаных ча­стиц получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки. Кроме песка, для этих целей используют золы ТЭС, шлаки и другие материалы.

Спекаемость - способность глины при обжиге переходить в камневидное состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объясняется следующим. При нагреве до 900...1200 °С в глине последовательно начинают протекать химические и физико-хими­ческие процессы, приводящие к полному и необратимому измене­нию ее структуры:

Удаление химически связанной воды (500...600 °С);

Разложение обезвоженной глины на оксиды А1 2 О 3 и SiO 2 (800...900 °С);

Образование новых водостойких и тугоплавких минералов (силлиманита А1 2 О 3 SiO 2 и муллита ЗА1 2 О 3 2SiO 2 (1000...1200 °С);

Образование некоторого количества расплава из легкоплавких материалов глины (900... 1200 °С).

Образование прочного черепка происходит за счет эффекта склеивания твердых частиц глины образовавшимся расплавом. При этом за счет сил поверхностного натяжения этого расплава проис­ходит уменьшение объема материала, называемое огневой усадкой. В зависимости от вида глин огневая усадка составляет 2...6 %.

Полная усадка - сумма воздушной и огневой усадки; она обыч­но находится в пределах 6...18 %. Полную усадку необходимо учи­тывать при формовании сырцовых заготовок для получения изде­лий с заданными размерами.

Огнеупорность - свойство материалов, в том числе и глин, вы­держивать действие высоких температур без деформаций.

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

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

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

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

Отощающие материалы вводят в состав керамической массы для снижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. Они улучшают сушильные свойства глин. В качестве отощаю-щих добавок используют песок, шамот, дегидратированную глину, золы ТЭС, гранулированные шлаки.

Шамот - зернистый (0,14...2 мм) материал, получаемый из­мельчением предварительно обожженной до температуры спекания глины. Его можно заменить измельченным браком керамических изделий. Шамот из огнеупорных глин используют для изготовления огнеупоров.

Дегидратированную глину получают нагревом до 650...750 "С. При удалении кристаллизационной (химически связанной) воды глина необратимо теряет свойство пластичности.

Гранулированный доменный шлак и золы ТЭС - отощители глин, используемые при производстве кирпича и другой грубой керами­ки. Это эффективный путь утилизации промышленных отходов.

Парообразующие добавки вводят в смесь для снижения плотно­сти и, соответственно, теплопроводности керамических изделий. Для этого используют вещества, которые при обжиге:

Диссоциируют с выделением газа, например, СО 2 (молотый мел, доломит и т. п.);

Выгорают (древесные опилки, угольный порошок и т. п.).

Такие добавки одновременно являются и отощающими.

Пластифицирующие добавки - высокопластичные глины, а так­же поверхностно-активные вещества - пластификаторы СДБ, ЛСТ и др.

Плавни добавляют в глины в тех случаях, когда желательно по­низить температуру ее спекания. В этом качестве используют поле­вые шпаты, железную руду, тальк и т. п.

Глазури и ангобы - отделочные слои на облицовочных керами­ческих изделиях.

Глазури - стеклообразные лицевые покрытия различного цвета, прозрачные или глухие. Их получают нанесением на поверхность готовых изделий порошка из стекольной шихты и закреплением об­жигом до плавления.

Ангобы - лицевые покрытия, выполненные из цветных глин, нанесенных на поверхность сырцовых изделий. В отличие от глазу­ри ангоб не дает при обжиге расплава, а образует матовое керамиче­ское покрытие.

Одна из главных проблем при глазуровании и ангобировании - обеспечение максимальной близости свойств (главным обра­зом КЛТР) изделия и отделочного слоя во избежание растрескива­ния и отслоения отделочного слоя. Характерным видом брака подо­бного рода является цек - частая сетка тонких трещин на поверхности глазури.

Керамические вазы, горшки, чайные наборы, подсвечники, тарелки, свистки и даже музыкальные инструменты – все это можно создавать самостоятельно.

Чтобы научиться делать керамику своими руками, главное – желание. Перед тем как стать керамистом, попробуйте слепить из глины простейшую безделушку, и вы поймете, стоит ли тратить деньги на покупку оборудования для работы. Если что-то не получилось – не беда, размочите брак и сделайте из него новую фигуру, до запекания изделие можно видоизменять бесконечно.

Из чего делают керамику и где взять материалы для работы

Керамика – это обожженная глина, которая и является главным материалом в работе керамиста. В отличие от , натуральная имеет природное происхождение, ее добывают из недр земли, не подвергая химической и другим видам обработки.

Опытные мастера в целях экономии добывают и готовят сырье самостоятельно. Этот процесс включает несколько этапов и вряд ли заслуживает внимания, если вы только начинаете свой путь и живете в городе.

Глина для изготовления керамики должна быть жирной и без вкраплений камешков и прочего мусора, иначе поделка растрескается в процессе запекания. Готовую массу хранят при определенных условия влажности.

Натуральная глина бывает разных видов :

• Белая – наиболее распространенная, изначально имеет сероватый оттенок, а после термической обработки обретает приятный оттенок слоновой кости.
• Красная – содержит оксид железа, придающий сырью зеленоватый тон. Основной цвет сырца – коричневый, после обжига изделия становятся красными. Хорошо поддается лепке, не крошится, идеальна для скульптур и крупных изделий.
• Фарфоровая – серая в сыром виде и белая после запекания.
• Голубая – чаще используется в косметологии и народной медицине.
• Черная или темно-коричневая керамическая масса – самая твердая глина, приобретающая оттенок слоновой кости после обработки в печи.

Также глины для керамики классифицируют по температуре обработки на легкоплавкие, среднеплавкие, тугоплавкие.

Удобнее всего покупать готовую гончарную глину, ориентируясь на размер фракции, цвет после обжига при разных температурах и другие характеристики и качественные показатели. Стоимость зависит от производителя, фасовки, фактуры. Есть уже готовые массы с добавками для облечения разных задач – лепки, формовки, гончарного круга.

Помимо глины, нужны глазури и эмали для покрытия изделий, пигменты для придания сделанной своими руками керамике нужного оттенка, специальные добавки для улучшения свойств и температурной обработки.

Для склеивания деталей используют шликерную массу – своеобразный клей из разведенной глины. Если просто соединить элементы, они могут отвалиться при нагреве. Все это продается в специализированных магазинах для керамистов.

Способы изготовления керамических изделий

Существует несколько способов превращения глиняной массы в красивое керамическое изделие.

Лепка – самый доступный способ изготовления изделий из керамики своими руками в домашних условиях. Сувениры, скульптуры, посуду, игрушки или другие поделки лепят руками, словно из пластилина, помогая себе специальными стеками или подручными приспособлениями.

Гончарное дело требует наличия вращающегося круга. С помощью этого древнего ремесла и сегодня создают вазы, кувшины, горшки, тарелки, чашки.

Отминка – наиболее простой вариант изготовления керамики для начинающих. В работе используют гипсовую форму, в которую выкладывают мягкую глину, а после застывания извлекают фигурное изделие. Гипсовые формы привлекательны тем, что впитывают излишнюю влагу, помогая глиняному изделию отвердеть и просохнуть.

Литье – здесь тоже используют формы, но другого плана. Разведенную глину разливают по формам, высушивают заготовки, извлекают и раскрашивают.

Глиняная поделка обретает прочность только после обжига – обработки в гончарных печах при температуре от 900 до 1300 градусов. Готовые сувениры покрывают акриловыми красками или специальной стекловидной глазурью для керамики. В случае с глазурью требуется еще один обжиг после окрашивания.

Если хочется получить естественный оттенок, используют молочение – покрывают неокрашенную запеченную керамическую фигурку молоком в несколько слоев и еще раз запекают при более низких температурах.

Гончарная печь – виды и предпочтения

Раньше печи для обжига керамики представляли собой вырытые в земле горны и разогревались исключительно дровами. Современные гончарные печи бывают газовыми, электрическими и дровяными. Последние, как правило, изготавливаются собственноручно, они подходят для эксплуатации в частных домовладениях. В условия квартиры удобнее всего работать с электропечами, для больших объемов можно подобрать газовую.

В металлическом корпусе таких печей скрывается огнеупорный кирпич или другой материал, удерживающий тепло и не боящийся нагрева. Для отвода влаги предусмотрены вентиляционные отверстия, управление процессом обжига керамики осуществляется программным регулятором. Электрические гончарные печи – недешевое удовольствие. Цена зависит от производителя, объема, мощности.

В продаже есть модели с вертикальной и горизонтальной загрузкой и колпаковые. По типу расположения нагревательного элемента гончарные печи подразделяют на муфельные и камерные. В муфельных он находится вокруг емкости из огнеупорного материала (муфеля). В камерных нагреватель расположен внутри, что сокращает потери тепла и делает оборудование более экономичным.

Если немного постараться, можно сделать печь для обжига керамики в домашних условиях своими руками, взяв за основу огнеупорный кирпич и что-то для корпуса, например, старую стиральную машину.

Запекание – самый важный процесс, который не прощает ошибок. Иногда даже опытные мастера видят вместо ожидаемого шедевра негодный брак. Изделия никогда не достают сразу, они должны остыть в печи.

Как выбрать гончарный круг

Гончарные круги нужны для лепки круглых предметов, поэтому этот инструмент необязательно покупать сразу же. Если вы только осваиваете керамику, начинайте с лепки или отминки. Круги бывают с ручным, ножным и электрическим управлением.

Наиболее популярными видами природного камня являются гранит, доломит, песчаник, известняк, природные валуны.

Гранит – один из самых дорогих и прочных материалов. Единственным его недостатком является трудность обработки, поэтому для изготовления многих элементов декора он просто не подходит.

Доломит также относится к прочным материалам, обладает прекрасными цветовыми оттенками и необычным рельефом поверхности. Этот вид материала годится практически для всего. Перед тем как его использовать, следует проверить, нет ли на камне трещин. Облицованные камнем поверхности даже с незначительными микротрещинами постепенно начнут разрушаться под воздействием воды и мороза. Микротрещины, как правило, имеет доломит, взятый с верхнего горизонта.

Песчаник по прочности не уступает доломиту, но по цветовой гамме он более однообразен и менее интересен. Поэтому в больших количествах его использовать нежелательно, иначе композиция будет монотонной. В дизайне его обычно разбавляют другими камнями, например рыжим или розовым доломитом.

Известняк очень мягок в обработке. Из него можно изготовить даже самую замысловатую конструкцию. Но он отличается меньшей прочностью и большей мягкостью, поэтому не следует им выкладывать пол, известняк не пригоден для мощения дорожек. Не годится он и для альпинариев, так как в альпийской горке быстро превратится в песок.

Известняк, если в нем не обнаружено микротрещин, подойдет для облицовки стен. Несмотря на то что он достаточно мягок, сооружения из известняка стоят не тронутые временем сотни лет.

Природные валуны в основном применяют при создании альпийских горок, японского сада, а также при оформлении живописных композиций, для подпорных стенок. Существует целое искусство живописать камнями (рис. 10 ).

Каменистые сады представляют собой декоративную горизонтальную композицию, в которой фоном служат камни, а растениям отведены соответствующие места среди них. Дорожки и террасы вымощены камнями. Такие сады декорируют фонтанами, водопадами, каскадами и другими архитектурными сооружениями в виде арок, беседок, скамеек и др. Водоемы здесь оформлены природными валунами и речной галькой. Каменной кладкой укрепляют откосы и стены, делая вставки в виде каменных чаш, в которых высаживают различные альпийские растения. Соорудить такой сад можно на приусадебном участке с любым рельефом.

Изделия из керамики

Керамикой называют некрупные изделия, горшки, вазы, различные украшения. В переводе с древнегреческого «керамика» означает все поделки, сделанные из глины, в том числе скульптуры, предметы быта и даже постройки. Трудно представить, что простой кирпич – самая что ни на есть типичная керамика. В обожженном виде глина является довольно распространенным и простым строительным материалом, она бывает различных сортов. Глина мягка и податлива, из нее можно лепить все, что угодно. Тонкий пласт глины можно перегнуть под прямым углом.

Керамика в саду бывает нефункциональной и функциональной. Нефункциональные керамические вещи служат просто украшением участка. Это могут быть отдельно стоящие фигуры, например лягушки, улитки, гномики и так далее, а также абстрактные элементы – керамические валуны, живописно расставленные на участке, и т. п.

Функциональными являются керамические украшения, выполняющие какую-то определенную бытовую функцию. Это могут быть элементы оформления фонтанов, ручьев, одновременно являющиеся краном или руслом; облицовка фонтана, бассейна, пруда; светильники, отделанные элементами керамики, например в виде скульптуры; горшки, вазы для растений; всевозможные опорные стенки, бортики, отделка лестниц.

Недостатком керамики является то, что далеко не каждая керамическая вещь способна выдерживать российский климат. Поэтому перед покупкой изделия в первую очередь определитесь, нужна вам керамика на участке только на летний период или круглый год. Летние керамические украшения на зиму заносят в помещение. Для керамики губительной является в основном влага. Поэтому, если вы в начале осени, до наступления сезона дождей, поместите изделие пусть даже в холодное, но сухое место, где нет опасности попадания на него воды, керамика благополучно перезимует.

Долговечность керамических изделий зависит от двух факторов: способности к водопоглощению и устойчивости к замерзанию и размораживанию.

Керамика, являясь пористым материалом, может впитывать влагу. При замораживании оставшаяся в порах вода расширяется и превращается в кристаллики льда, которые занимают большее пространство, чем капли воды; изделие в этом случае разрушается изнутри и рассыпается.

Некоторые виды керамики способны выдерживать несколько циклов заморозки-разморозки. Как правило, предприятие-изготовитель дает гарантию на 500 циклов заморозки-разморозки. При учете, что в условиях нашей страны за одну зиму происходит примерно 7 заморозков, такая керамика прослужит более 70 лет, и гарантия, соответственно, дается на этот период.

Для зимы подходят следующие материалы, выделенные в 3 группы:

1. Фарфор (особым образом обожженная белая глина) является самым лучшим, прочным и дорогим материалом. Он практически не поглощает воду, поэтому не лопается при резких перепадах температур. Фарфоровая вещь примерно втрое дороже аналогичной вещи, выполненной из терракота.

2. Высокотемпературная керамика (из любой глины) бывает разных видов: каменная масса, яшмовая масса, высокотемпературные терракота и шамот. Она уступает по прочности и цене лишь фарфору. Глину обжигают при высоких температурах (1250–2000° С). Этот процесс сходен с процессом, происходящим в жерле вулкана, откуда затем вытекает лава и при охлаждении превращается в каменную массу. Высокотемпературная керамика практически не разрушается под воздействием температур и имеет почти нулевое водопоглощение, поэтому вода и морозы – главные враги керамики – ей не опасны.

3. Терракота и шамот (обожженная красная глина со специальной пропиткой). Обжиг происходит при низких температурах (менее 1250° С), поэтому по сравнению с двумя предыдущими видами эти материалы менее прочные и более дешевые. Обычный красный кирпич является терракотой. Материал очень пористый и поглощает большое количество влаги, но также легко ее отдает. Поэтому кирпичные стены достаточно прочные и выдерживают определенный промежуток времени перепады температур. Для того чтобы сделать терракоту и шамот устойчивыми к размораживанию, их пропитывают специальным веществом. Но в емкости, изготовленной из пропитанного материала, плохо растут растения, так как их корням не хватает воздуха. Чтобы этого не происходило, в изделиях из терракоты делают вставки из обычной низкотемпературной керамики, которую после разрушения заменяют на новую.

Изделия из терракоты очень красиво смотрятся на зеленой лужайке. Шамот – это терракотовая масса, в которую добавлена крошка из обожженной глины. Первоначально этот материал использовался исключительно для изготовления печей. Но его полюбили художники за пластичность. Если для лепки изделий из терракоты требуется профессионализм, то работать с шамотом сможет любой человек.

Для лета сгодятся все виды керамики, в том числе и низкотемпературные шамот и терракота без пропитки, а также фаянс, самый дешевый и непрочный материал. Сегодня фаянс обжигают только при низких температурах.

В последнее время в садовом дизайне все большей популярностью пользуется мульчирование. Раньше его применяли в связи с агротехническими причинами, сегодня мульча также стала элементом декора. Что же такое мульчирование и для чего оно нужно?

Мульча происходит от английского слова mulch и переводится как «подстилка в травянистых формациях». Сегодня мульчированием называют покрытие поверхности земли различными материалами в целях создания благоприятных условий для роста растений.

Мульчирование уменьшает испарение влаги из почвы, регулирует температуру, предохраняет почву от разрушения. При поливе вода не разбрызгивается грязными каплями во все стороны, а после высыхания почва не покрывается некрасивой коркой с трещинами. Мульча препятствует попаданию в землю семян сорняков и прорастанию уже имеющихся в почве семян. Мульча – такая, как торф, кора, опилки, листья, трава или мелко наломанные веточки, – является природным материалом; со временем она перерабатывается почвенными микроорганизмами и становится отличным органическим удобрением для самих же растений. И самое главное, на фоне мульчи прекрасно смотрятся декоративные растения; она становится своеобразным элементом дизайна и выглядит намного лучше по сравнению с голой, ничем не засаженной землей.

В дикой природе все травянистые растения замульчированы естественным образом: в лесу таковой являются опавшие листья, хвоя, на открытых площадках – прошлогодняя дернина. В природе не встретишь открытых, ничем не занятых участков земли. Она может быть прикрыта не только органическим материалом, но также камнями и песком. На участке мульча также необязательно должна быть органического происхождения.

Неорганическая мульча должна выглядеть красиво. В качестве нее не подойдет пленка или материалы – такие, как лутрасил или геотекстиль, используемые в основном в промышленном растениеводстве, в питомниках для выращивания овощных культур.

Мульча из искусственных материалов имеет свои плюсы и минусы по сравнению с органической. Она не перерабатывается микрофлорой почвы и поэтому постоянно сохраняет свой первоначальный объем, не служит укрытием для вредных насекомых и слизней. При избыточной влажности она не покрывается плесенью в отличие от природной мульчи. Она выглядит очень эстетично и современно и способна украсить любой, даже самый неприметный уголок.

Мульча не накапливает влагу, так как имеет пористую систему. Ее трудно полностью удалить с почвы при переустройстве участка. Неорганическая мульча продается не везде и не всегда. Какой вид мульчи вы-брать для своего участка, решать вам.

Керамическими называют материалы и изделия, изготовляемые формованием и обжигом глин. "Керамос"- на древнегреческом языке означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины. В глубокой древности из глин путем обжига получали посуду, а позднее (около 5000 лет назад) стали изготовлять кирпич, а затем черепицу.

Большая прочность, значительная долговечность, декоративность многих видов керамики, а также распространенность в природе сырьевых материалов обусловили широкое применение керамических материалов и изделий в строительстве. В долговечности керамических материалов можно убедиться на примере Московского Кремля, стены которого сложены почти 500 лет назад.

Керамические изделия по плотности можно условно разделить на две основные группы: пористые и плотные.

Пористые керамические изделия впитывают более 5% по весу воды. В среднем водопоглощение пористых изделий составляет 8 - 20% по весу или 15 - 35% по объему.

Плотные изделия характеризуются водопоглощением менее 5%. Чаще всего оно составляет 2 - 4% по весу или 4 - 8% по объему.

По назначению в строительстве различают следующие группы керамических материалов и изделий:

• стеновые материалы (кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и легкий, камни керамические пустотелые);
• кровельные материалы и материалы для перекрытий (черепица, керамические пустотелые изделия);
• облицовочные материалы для наружной и внутренней облицовки (кирпич и камни лицевые, плиты керамические фасадные, малогабаритные плитки);
• материалы для полов (плитки);
• материалы специального назначения (дорожные, санитарно-строительные, химически стойкие, материалы для подземных коммуникаций, в частности трубы, теплоизоляционные, огнеупорные и др.);
• заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).

Наибольшего развития достигли стеновые материалы, причем наряду с общим увеличением объема производства особое внимание обращено на увеличение выпуска эффективных изделий (пустотелый кирпич и камни, керамические блоки и панели и т. д.). Предусмотрено также расширить производство фасадной керамики, особенно для индустриальной отделки зданий, глазурованных плиток для внутренней облицовки, плиток для полов, канализационных и дренажных труб, санитарно-строительных изделий, искусственных пористых заполнителей для бетонов.

СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.

Сырьевые материалы, используемые для изготовления керамических изделий, можно подразделить на пластичные глинистые (каолины и глины) и отощающие (шамот, кварц, шлаки, выгорающие добавки). Для понижения температуры спекания в глину иногда добавляют плавни. Каолин и глины объединяют общим названием - глинистые материалы.

1. ГЛИНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Каолины. Каолины образовались в природе из полевых шпатов и других алюмосиликатов, не загрязненных окислами железа. Они состоят преимущественно из минерала каолинита. После обжига присущий им белый или почти белый цвет сохраняется.

Глины. Глинами называют осадочные породы, представляющие собой тонкоземлистые минеральные массы, способные независимо от их минералогического и химического состава образовывать с водой пластичное тесто, которое после обжига превращается в водостойкое и прочное камневидное тело.

Состоят глины из тесной смеси различных минералов, среди которых наиболее распространенными являются каолинитовые, монтмориллонитовые и гидрослюдистые. Представителями каолинитовых минералов являются каолинит и галлуазит. В монтмориллонитовую группу входят монтмориллонит, бейделлит и их железистые разновидности. Гидрослюды - в основном продукт разной степени гидратации слюд.

Наряду с этими минералами в глинах встречаются кварц, полевой шпат, серный колчедан, гидраты окислов железа и алюминия, карбонаты кальция и магния, соединения титана, ванадия. Такие примеси влияют как на технологию керамических изделий, так и на их свойства. Например, тонкораспределенный углекислый кальций и окислы железа понижают огнеупорность глин. Если в глине имеются крупные зерна и песчинки углекислого кальция, то при обжиге из них образуются более или менее крупные включения извести, которая на воздухе гидратируется с увеличением объема (дутики), что вызывает образование трещин или разрушение изделий. Соединения ванадия служат причиной появления зеленоватых налетов (выцветов) на кирпиче, что портит внешний вид фасадов.

Глины часто содержат также органические примеси. По отношению к действию высоких температур различают глины трех групп: огнеупорные (огнеупорность выше 1580"С), тугоплавкие (1350 - 1580"С) и легкоплавкие (ниже 1350"С). К огнеупорным относятся большей частью каолинитовые глины, содержащие мало механических примесей. Такие глины используют для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий. Тугоплавкие глины содержат окислы железа, кварцевый песок и другие примеси в значительно большем количестве, чем огнеупорные, и применяются для производства тугоплавкого, облицовочного и лицевого кирпича, плиток для полов и канализационных труб. Легкоплавкие глины наиболее разнообразны по минералогическому составу, содержат значительное количество примесей (кварцевого песка, окислов железа, известняка, органических веществ). Используют их в кирпичном и черепичном производствах, в производстве легких заполнителей и т. д.

В производстве искусственных обжиговых материалов можно применять также некоторые другие осадочные породы: диатомиты, трепелы и их уплотненные разновидности - опоки, а также сланцы в чистом виде и с примесью глин или порообразующих добавок.

2. ОТОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также для предотвращения деформаций и трещин в жирные пластичные глины вводят искусственные или природные отощающие материалы.

В качестве искусственных отощающих материалов используют дегидратированную глину и шамот, а также отходы производства (котельные и другие шлаки, золы, очажные остатки и т.д.). Дегидратированную глину получают нагреванием обычной глины примерно до 600-700"С (при этой температуре она теряет свойство пластичности) и применяют в качестве отощителя при производстве грубой строительной керамики. Шамот изготовляют путем обжига огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000 - 1400"С. Шамот является основным сырьем в производстве огнеупорных шамотных изделий.

К природным отощающим материалам относятся такие вещества, которые неспособны в смеси с водой образовывать пластичную массу, например кварцевые пески, пылевидный кварц.

Порообразующие материалы. В производстве изделий грубой строительной керамики, например кирпича, для отощения массы, а также для получения изделий, обладающих повышенной пористостью и, следовательно, пониженной теплопроводностью, в сырьевую массу вводят порообразующие добавки. Обычно применяют органические добавки, называемые выгорающими, - древесные опилки, уголь, торфяную пыль, и др. Они выгорают при обжиге изделий и образуют поры.

Плавни. Введение в глину плавней способствует понижению температуры ее спекания. К числу плавней относятся полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк и др.

Предоставлено компанией ООО Стратегия

Общие сведения

Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород. Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью.

Огромное количество природных каменных материалов используется в качестве сырья для получения большинства строительных материалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ.

Сырьевой базой для промышленности строительных материалов являются горные породы. Их применяют для изготовления неорганических вяжущих веществ, керамических материалов, строительного стекла, щебня, гравия, песка в дорожном строительстве и для приготовления бетонов и растворов, облицовки зданий, сооружений и многих других целей.

Горными породами называют скопления минеральных масс, образующие геологические тела, характеризующиеся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов в горной породе определяет её минеральный состав. Форма, размер, взаимное расположение минералов, наличие пор и т. д. определяют свойства горной породы.

Минералом называют природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве - твёрдые тела: кристаллические и аморфные.

Если горная порода состоит из одного минерала, она называется мономинеральной, если из двух и более - полиминеральной.

В зависимости от условий образования горные породы подразделяют на три вида: первичные - изверженные, вторичные - осадочные, видоизменённые - метаморфические.

Изверженные породы весьма разнообразны по физико – механическим показателям. Если магма застывала на глубине, а ее составные части успевали закристаллизоваться, то при этом образовывались так называемые глубинные (интрузивные) породы, для которых характерна полнокристаллическая структура. Если в результате вулканической деятельности магма вырывалась на поверхность, в зону значительно более низких температур, её компоненты не имели времени для кристаллизации и, застывая, образовывали породы со скрыто - и мелкокристаллическими структурами (эффузивные).

Многие природные камни рассматриваемой группы отличаются высокими: плотностью, теплопроводностью, прочностью и используются исключительно в качестве конструкционно–отделочных и отделочных материалов.

Вместе с тем достаточно широко распространены и обломочные (рыхлые и цементированные) изверженные породы, отличающиеся сравнительно высокой пористостью – пемза, вулканический туф.

Осадочные породы сформировались в результате преобразования продуктов разрушения изверженных пород, морских и континентальных осадков в виде отдельных пластов и слоев на земной поверхности и вблизи нее при относительно низких температурах и давлении. Механические отложения образовались в результате отложения или накопления рыхлых продуктов распада ранее существовавших пород, часть которых в дальнейшем подверглась цементированию, образую конгломераты, брекчии и песчаники. Химические осадки образовались в результате осаждения из водных растворов минеральных веществ с последующим их уплотнением и цементацией. Органогенные образования – результат непосредственного осаждения, уплотнения и цементации остатков водорослей, организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Видоизменённые (метаморфические) породы образуются в толще земной коры в результате более или менее глубокого преобразования изверженных или осадочных горных пород при действии высоких температур и давления, а также возможном химическом воздействии. Метаморфические породы отличаются от исходных структурой и свойствами. По структуре их разделяют на массивные, или зернистые (мрамор, кварцит), и сланцеватые (гнейсы, сланцы).

Основы технологии

Блоки камня, полученные в карьере, поступают на камнеобрабатывающие предприятия для переработки. Процесс, в результате которого камню придают требуемые форму, размер и фактуру лицевой поверхности, включает ряд операций, выполняемых в строгой последовательности с помощью разнообразных камнеобрабатывающих станков. На современных предприятиях камень обрабатывают механизированным способом. В зависимости от характера используемого инструмента различают три основных вида обработки: резание, шлифование и скалывание. Каждый из этих видов, в свою очередь, делится на две стадии: придание формы и размеров выпускаемого изделия и его фактурную обработку. Для этого лицевой поверхности изделия придают заданную степень рельефа.

Обработка резанием – наиболее современный процесс обработки камня: этот способ высокопроизводителен, даёт меньше отходов и в наибольшей степени допускает автоматизацию производства. В зависимости от твёрдости камня используют стальные и твёрдосплавные резцы (для камня мягкой и средней твёрдости) или алмазный и карборундовый инструменты (для пород средней твёрдости и твёрдых) специальной конструкции.

Обработка скалыванием – также широко используемый способ, однако в большинстве случаев он сопряжён с постоянным участием оператора, и поэтому более трудоёмок. Ударная обработка камня механизирована и автоматизирована не полностью.

Придание камню требуемой формы независимо от принятого способа обработки выполняют в две стадии: сначала изделию придают форму, грубо приближающуюся к заданной, и лишь затем изделие получает окончательную форму в соответствии с проектом.

Шлифование поверхности камня позволяет достичь высокой степени её гладкости, вплоть до зеркального блеска (для этого используют войлочный круг, под который падают полированный порошок).

Номенклатура

Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, камни, плиты, архитектурно-строительные изделия (плоскостные и профильные).

Блоки объёмом не менее 0,1 м 3 для кладки фундаментов и стен, в зависимости от технологии их обработки, выпускают колотые, тёсаные, пиленые.

Камни размером 390*190*188; 490*240*188; 390*190*288 мм и др. аналогичны по назначению блокам.

Плиты шириной до 2000 мм длиной, как правило, не менее ширины и толщиной от 3 до 40 мм используют для наружной и внутренней облицовки. Размеры плит для покрытий полов, как правило, 300*300; 305*305; 400*400; 600*300 мм. Для интерьеров с интенсивным движением их толщина не менее 20мм.

Архитектурно-строительные изделия служат для наружной и внутренней облицовок, устройства лестниц, парапетов площадок, ограждений. К этой группе изделий относятся плиты цокольные, пиленые и колотые, накрывочные пиленые и колотые, проступи пиленые, ступени цельные пиленые и колотые, парапеты прямоугольные и криволинейные, колонны, балясины, порталы, детали карниза, пояса, камень кордонный, шары декоративные.

Балясина – сравнительно невысокий фигурный столбик в форме тела вращения. Это элемент ограждения лестниц, террас, балконов, верхняя часть которого покрыта перилами. Изготавливают балясины, в основном, из мрамора.

Порталы – профильные изделия для обрамления дверных проёмов, выполняемые, как правило, из гранита, габбро, лабрадорита и других изверженных пород.

Деталь карниза – профильное изделие в виде декоративного выступа на верхней части наружной облицовки поля стены, защищающего её от стекающей с кровли воды. Получают при соответствующей обработке изверженных горных пород.

Деталь пояса – горизонтальный выступающий элемент наружной облицовки, отделяющий цокольную часть от вышележащей стены. Для изготовления используют достаточно плотные и прочные горные породы.

Камень кордонный – профильное изделие верхней части массивного цоколя из плотных и прочных пород.

Декоративный шар – профильное изделие сферической формы. Шары (цельные, но чаще составные), в основном, из гранита используют при оформлении фасадов зданий, фонтанов, набережных, в ландшафтной архитектуре.

К материалом специального назначения относят бутовый камень (куски неправильной формы не более 500 мм по наибольшему измерению), щебень (куски до 150 мм из дробленого бута), плиты для гидротехнических сооружений, изготовляемые из изверженных и осадочных горных пород; брусчатку в форме бруска, слегка суживающегося книзу, из однородных мелко- и среднезернистых изверженных пород для мощения дорог; бортовые камни высотой до 400 мм из плотных изверженных пород для отделения дороги от тротуара; плиты для тротуаров (часто из гнейса) толщиной не менее 40 мм.

Свойства

Учитывая характеристики минералов, их количество и характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяют кристаллические, стекловидные, порфировые и другие структуры горных пород.

При определении характера кристаллической структуры горной породы устанавливают, в частности, крупность зерен. В зависимости от их размеров у твёрдых горных пород (гранит и др.) выделяют крупнозернистые структуры – более 40 мм; среднезернистые от 2 до 10 мм; мелкозернистые – до 2 мм. У природных камней средней твёрдости (мрамор и др.) структура с размером зерен более 1 мм считается крупнозернистой; до 1 мм – среднезернистой; до 0,25 мм - мелкозернистой.

Способы добычи и обработки природного камня, его рациональное применение в строительстве связывают, прежде всего, с твёрдостью материала.

При определении твёрдости природных камней пользуются шкалой Мооса, сравнивая их твёрдость с твёрдостью определённых минералов, расположенных в характерном порядке по мере нарастания твёрдости: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.

Твёрдые природные камни обладают более высокой монолитностью структуры по сравнению с материалами средней твёрдости и мягкими. В архитектурно – строительной практике используют, как правило, горные породы твёрдые или средней твёрдости.

Средняя плотность природных каменных материалов, в зависимости от их вида, обычно находятся в пределах 800… 3100 кг\м 3 .

Водопоглощение твёрдых природных камней, как правило, находится в пределах 0,01 … 5 %; у гранита и сиенита – 0,1 … 1%; габбро – 0,1…0,2%; лабрадорита и тешенита – 0,2 … 1%; диабаза – 0,01 … 0,2 % ; кварцевого порфира – 0,1…5%; базальта – 1…5%. Водопоглощение природных камней средней твёрдости 0,1…40%, в том числе мрамора – 0,1…0,7%; известняка – 0,5… 40%; песчаника – 0,2…2,5%; туфов – 4…40%.

Коэффициент размягчения указанных природных каменных материалов средней твёрдости, как правило, не менее 0,6.

Морозостойкость каменных материалов сравнительно высока. Твердые природные камни (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт – 50 и более. Природные камни средней твёрдости – более 25 циклов, мягкие – 15 циклов и более.

Предел прочности при сжатии природных каменных материалов в зависимости от твёрдости приведён в табл .9 .

Для определения предела прочности при сжатии обычно испытывают образцы в виде куба или цилиндра, выпиленные или высверленные из целого изделия. Для испытания сравнительно крупных блоков, высота которых более чем в 1,5 раза превышает толщину, приготавливают (выпиливают, высверливают) два образца: со стороны верхней и со стороны нижней граней.

Истираемость имеет большое значение, прежде всего, для природных каменных материалов, которые используют для покрытий полов в различных общественных сооружениях. Весьма мала истираемость у твёрдых материалов – не более 0,5г/см 2 .

Долговечность природных камней, как правило, связана с их твёрдостью.