Характеристика сырья для производства керамических строительных изделий

Классификация и назначение изделий для облицовки фасадов зданий

Керамические изделия для облицовки фасадов зданий подразделяются на конструктивные и декоративные.

Декоративные изделия служат для облицовки стен в процессе строительства, а также крупноразмерных стеновых панелей при изготовлении их на домостроительных комбинатах.

Фасадные керамические глазурованные большеразмерные плитки служат для облицовки наружных стен кирпичных зданий после их полной осадки и цокольных панелей. Для облицовки цокольных частей зданий и стен подземных пешеходных переходов применяют глазурованные цокольные плитки. Для декоративной отделки зданий служит и мозаичная керамика, которая представляет собой мелкоразмерные тонкостенные плитки различного цвета, наклеенные в виде ковра на бумажную основу.

Конструктивные изделия наряду с декоративными свойствами обладают качествами конструктивного материала. К ним относятся лицевые кирпич и камни.

Керамические лицевые кирпич и камни (рис. 1, 2) подразделяются на полнотелые и пустотелые. Размеры этих изделий должны соответствовать ГОСТ 7484—69 (табл. 1). Кирпич глазурованный, кроме того, должен соответствовать ТУ 355—66 Главмоспромстройматериалов.

Кирпич и камни должны иметь форму прямоугольного параллелепипеда с прямыми ребрами и углами, с четкими гранями и ровными двумя смежными лицевыми поверхностями — тычковой и ложковой.

Отклонение стороны кирпича по длине от прямого угла (косоугольность) допускается не более 3 мм. Искривление лицевых поверхностей и ребер не должно превышать по ложку 3 и по тычку 2 мм.

Лицевые поверхности кирпича и камней могут быть гладкими, рельефными или офактуренными. Изделия должны иметь чистый тон и равномерный цвет без пятен, выцветов в других дефектов, заметных на расстоянии 10 Ж.

Размеры кирпича и камней, длину трещин и отбитости или притупленности углов и ребер измеряют с точностью до 1 мм шаблонами. Ширина посечек определяется с помощью мерной лупы с четырехкратным увеличением.

Искривление поверхностей и ребер определяют с точностью до 1 мм величины наибольшего зазора между поверхностью или ребром приложенного к нему угольника.

Косоугольность определяют, прикладывая угольник к тычку и замеряя наибольший зазор между ложком и внутренним краем угольника.

Известковые включения (дутики), вызывающие разрушение кирпича и камней, не допускаются.

Кирпич и камни, изготавливаемые методом двухслойного формования, не должны расслаиваться по контакту лицевого слоя и основной массы. Толщина лицевого слоя должна быть не менее 3 мм.

Зерновой состав глин

Керамические строительные изделия изготовляют из пластичного сырья с добавкой непластичных отощающих материалов — шамота, дегидратированной глины, кварцевого песка. Глины являются связующим веществом, а отощающие добавки служат для уменьшения усадки изделий. В ряде случаев для снижения температуры обжига и получения более прочных изделий в состав массы вводят плавни и минерализаторы. Для улучшения внешнего вида изделий и придания им стойкости их покрывают специальными пленками.

Глинами называют землистые обломочные горные породы, способные образовывать с водой пластическое тесто, которое после высыхания сохраняет приданную ему форму и после обжига приобретает твердость камня.

Большинство глин образовалось в природе при разрушении горных пород, содержащих силикаты, главным образом полевой шпат. Часть из них осталась на месте разрушения горных пород (первичные глины), а часть была перенесена водой, ветром, ледниками на значительные расстояния (вторичные глины). Как правило, первичные глины засорены невыветрившимися частицами горной породы, из которой они образовались, а вторичные глины состоят из более мелких частиц и относительно свободны от примесей материнской горной породы. Это предопределяет различие в свойствах глин.

Зерновой состав. Глинистые породы состоят из частиц различного размера. Гранулометрический (зерновой) состав представляет собой количественное соотношение частиц разного размера, фракций (группа частиц одного размера). Наиболее ценными для керамического производства являются тонкие глинистые фракции с зернами размером менее 5 мк. В глине также содержатся пылевидные фракции (с зернами размером от 5 до 50 мк) и песчаные (от 50 мк до 3 мм). В зависимости от количества содержащейся в глине тонкой глинистой (тонкодисперсной) фракции глины делятся на три группы (табл. 5).

В глине содержатся также посторонние примеси — включения различных кварцевых, железистых, карбонатных, гипсовых и органических зерен. В зависимости от количества включений таких зерен глинистое сырье разделяют на три группы: с низким содержанием включений (не более 1%), со средним (от 1 до 5%) и с высоким (более 5%).

По размеру включений различают следующие виды глин: с мелкими включениями (менее 2 мм), со средними (от 2 до 5 мм) и с крупными (более 5 мм).

Таблица 5

Химический состав глин

Химический состав. Глины состоят из химических соединений алюминия, кремния, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия в виде окислов и солей. В глинах содержится также некоторое количество органических веществ.

Наиболее важной составной частью глин является глинозем Аl₂О₃ (окись алюминия). Он оказывает наибольшее влияние на свойства керамических изделий. Содержание глинозема в глинах колеблется в пределах от 8 до 40% и более.

В зависимости от суммы окислов алюминия (вместе с окислами титана ТiO₂, содержание которого незначительно—1—2%) глины бывают высокоосновные, имеющие в своем составе более 40% указанных окислов; основные — от 30 до 40%, полукислые— от 15 до 30% и кислые — до 15%- Повышенное содержание этих окислов свидетельствует о высоком качестве глинистого сырья. В производстве керамических изделий для облицовки фасадов обычно используют полукислые и основные глины.

Кремнезем — окись кремния SiO₂ оказывает также большое влияние на свойства керамических изделий. Содержание кремнезема в глине колеблется в пределах от 50 до 80% В составе глин часть кремнезема находится в связанном виде, в глинообразующих минералах, которые положительно влияют на качество изделий, а часть в несвязанном, как примесь, которая приводит к нежелательным последствиям и, в частности, к образованию в изделиях трещин.

Кальций и магний содержатся в глинах в виде солей . карбонатов и сульфатов. В некоторых сортах глин содержание кальция и магния в пересчете на их окислы (СаО и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5—10%. При производстве изделий для облицовки фасадов применяют глины, в составе которых содержится невысокий процент указанных соединений. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на свойства керамических изделий.

Железо, титан, марганец и ряд других металлов содержатся в глинах в виде окислов в количестве до 5—10%_.

Наибольшее влияние на свойства керамических изделий оказывают окислы железа и окислы марганца. Эти соединения улучшают спекаемость изделий.

Соединения, в состав которых входит железо, сообщают изделиям красную, коричневую и желтую окраску. Окислы титана могут придавать серую и светло-фиолетовую, а окислы марганца — оранжевую и черную окраску.

Если окислы этих металлов равномерно распределены в глине в виде тонкозернистых включений, то черепок окрашивается равномерно. При наличии крупных частиц образуются выплавки и «мушки».

Большое значение для окрашивания изделий имеет равномерное распределение окислов и их соотношение. В зависимости от соотношения этих примесей в глинах изделия приобретают различную окраску. Так, например, если соотношение Fe₂O₃ / CaO > 0,8, изделия приобретают темно-красную или коричневую окраску, а при Fe₂O₃ / CaO = 0,6 - 0,8 —светло-коричневую и темно-желтую и, если Fe₂O₃ / CaO <0,5 - 0,6 —ярко-желтую и желтую.

В зависимости от того, какой цвет приобретают глины после их обжига, они подразделяются на беложгущиеся и красножгущиеся.

Калий и натрий находятся в глинах в составе минералов, содержание которых в пересчете на К₂О и Na₂O колеблется в пределах 2—6%. Они придают керамическому черепку изделий большую прочность.

Сера содержится в глинах в различных соединениях. Ее количество в пересчете на сернистый ангидрид SO₃ находится в пределах долей процента и не оказывает существенного влияния на качество керамических изделий.

Органические вещества в глине

Органические вещества обычно содержатся в глинах в количестве от 1 до 10%. При обжиге полуфабриката они сгорают, увеличивая пористость изделий. При прокаливании глины до 1000° С и более за счет испарения влаги, выгорания органических примесей и разложения углекислых и сернокислых соединений уменьшается вес глины, что в пересчете на проценты составляет потери при прокаливании (п. п. п.).

Пользуясь данными химического состава глин, можно подобрать необходимое сырье для производства того или иного вида керамических изделий.

Минералогический состав. Химические соединения, однородные по своему строению, составу и свойствам, образуют минералы. Глины состоят из основных глинообразующих минералов и минералов-примесей.

К основным глинообразующим минералам относится: каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и некоторые Другие.

Глинообразующие минералы в основном представляют собой водные силикаты глинозема, содержащие окислы кремнезема и железа, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли различных металлов, характеризующиеся размерами частиц менее 5 мк.

В состав глин может входить только один минерал, что характерно в основном для огнеупорных глин. Такие глины называются мономинеральными. Если в состав глин входит несколько минералов (такое строение имеют легкоплавкие глины), их называют полиминеральными.

Глины, сложенные каолинитом, имеют следующие характерные особенности. Они слабо набухают в воде и почти не реагируют на кислоту. Если в глине содержится только каолинит, глины называют каолином.

Глины, сложенные монтмориллонитом, сильно набухают в воде и весьма пластичны. Если в глинах содержатся только одни монтмориллонитовые минералы, в технике такие глины называют бентонитом.

Глины, сложенные гидрослюдами, имеют среднюю пластичность.

Из минералов-примесей наиболее часто в глинах встречается кварц, известняк и доломит.

Кварц находится в глинах в виде окатанных зерен или частиц неправильной формы. Являясь отощающим материалом, кварц влияет на сроки сушки керамических изделий. Повышенное содержание кварца ухудшает прочность изделий.

Известняк и доломит, содержащиеся в глинах в виде крупных зерен, являются вредными примесями. Они способствуют появлению трещин после обжига изделий, а иногда полному их разрушению. Если частицы этих минералов тонкодисперсны и равномерно распределены в массе, то при содержании даже до 25% они не вызывают трещин, однако уменьшают пластичность и огнеупорность глин.

Технологические свойства. Глины обладают целым рядом ценных технологических свойств — пластичностью, связанностью, способностью давать при сушке воздушную усадку, а при обжиге — огневую усадку, огнеупорностью и спекаемостью. Наиболее важным свойством глины является ее пластичность.

Основные сведения о глиняном карьере и его разработке

Глину для производства керамических изделий добывают открытым способом в карьерах. Карьер представляет собой систему открытых выработок. Очертания карьера в плане зависят от глубины и формы залегания глины и характера рельефа местности.

При разработке глины участки разбивают на ряд горизонтальных слоев, которые разделяют наклонными въездами. Каждый такой слой называется уступом. Высота уступа зависит от состава глин и применяемых методов разработки.

Пласт представляет собой массив осадочной горной породы, имеющей значительную длину и ширину и ограниченный двумя параллельными плоскостями напластования.

Мощность (толщина) пласта — это кратчайшее расстояние между кровлей (верхом) и почвой (низом) пласта.

В каждом уступе различают следующие элементы: откос, верхнюю и нижнюю площадку и бровку.

Откосом уступа называется наклонная или вертикальная рабочая поверхность уступа, ограничивающая его со стороны выработанного пространства. Площадками уступа называют: верхней — горизонтальную часть поверхности уступа, ограничивающую его по высоте, и нижней — нижнюю горизонтальную часть поверхности уступа (подошва). Бровкой уступа называют линию пересечения откоса уступа с его верхней или нижней площадкой.

Поверхность уступа, являющаяся непосредственно объектом горных работ и перемещающаяся по мере разработки, называется забоем уступа.

Параллельные полосы, на которые для разработки разделяют уступ по ширине, разрабатываемые каждая при неизменном для нее положении транспортного забойного пути, называют заходками.

Подготовленная для разработки часть заходки по ее длине называется фронтом работ уступа.

Угол, образованный линией откоса борта карьера с проекцией этой линии на горизонтальную плоскость, называется углом откоса.

Подготовительные и вскрышные работы в глиняном карьере

Технология подготовительных и вскрышных работ включает две операции: вскрышные работы (рис. 7, а) и расчистку поверхности от кустарников, деревьев, пней (рис. 7, б).

В состав вскрышных пород входит растительный слой, подзол, а также наслоение песка с каменистыми включениями.

Поверхность следует расчищать за один-два года до начала разработки карьера, для того чтобы корни растений успели сгнить, что значительно облегчает вскрышные работы. Обычно для очистки поверхности применяют кусторезы, корчеватели и рыхлители.

Серийно изготовляют кусторезы, применяемые как навесное оборудование к трактору. Рабочий орган кустореза представляет собой клинообразный отвал, заканчивающийся в нижней части режущими ножами. При погружении отвала в грунт эти ножи срезают деревья и кустарники, а затем укладывают по обе стороны от полосы проходки машины.

Для корчевания крупных пней, валки деревьев диаметром до 35 см, срезки кустарников и рыхления почвы применяют навесные корчеватели, которые снабжены приспособлениями для вытаскивания корней из земли.

С помощью бульдозера можно удалять растительный слой, корчевать пни и валить деревья.

Рис. 7. Схема ведения подготовительных работ на карьере: а — производство вскрышных работ бульдозером, б — расчистка поверхности от пней и кустарников корчевателем; 1, 2 — глина, 3 — песок, 4 — вскрышный слой, 5 — подошва забоя

Рыхлят глину для защиты от промерзания и естественной просушки прицепными и навесными рыхлителями.

Как правило, вскрышные работы проводят бульдозерами и скреперами.

Разработка глин в карьере

Глину в карьерах разрабатывают валовым и селективным методами. При валовой разработке глину добывают одновременно из нескольких пластов. Селективная разработка заключается в раздельной выемке пластов глин.

Выбор механизмов для добычи глин зависит от геологических условий, физико-механических свойств добываемого сырья и способа его выемки. Наибольшее применение для разработки глин нашли многоковшовые (рис. 8, а), одноковшовые (рис. 8, б) и роторные (рис. 8, в) экскаваторы.

Многоковшовые экскаваторы наиболее эффективны для разработки глин валовым методом.

Многоковшовым экскаватором разрабатывают забои, расположенные со стороны откоса уступа. В процессе черпания глин экскаватор передвигается вдоль уступа. Фронт работ принимается прямолинейным с выдержанной мощностью разрабатываемой толщи и с относительно постоянной длиной.

Рис. 8. Разработка глины: а—многоковшовым экскаватором, б—одноковшовым экскаватором, в — роторным экскаватором

Многоковшовые экскаваторы могут работать веерным (радиальным) и параллельным способами резания как верхним, так и нижним черпанием (рис. 9, а, б, в).