Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

CHARACTERISTICS OF SPECIAL CONSTRUCTION CERAMIC PRODUCTS

Shishakina O.A. 1 Palamarchuk A.A. 1
1 Vladimir State University named A.G. and N.G. Stoletovs
Ceramic materials have been used in construction since ancient times. Ceramic tiles, bricks, tiles are used in construction to this day. However, traditional ceramic materials cannot always meet the needs of the modern construction industry. For various special tasks arising in the construction of residential and industrial premises, special ceramic products are used. Due to the complexity of building structures caused by natural and man-made factors, the active use and development of new special building ceramic materials is more relevant than ever. It is customary to attribute to types of ceramic products those types of ceramics that are favorably distinguished by any positive properties, which makes it possible to use them in various specific operating conditions. The aim of this work is to analyze the current state of production and development prospects of the main varieties of special building ceramic products. Special ceramics used in construction are divided into acid-resistant, clinker, refractory, heat-resistant and heat-insulating. The use of products from special ceramics in construction is very diverse. Acid-resistant tiles are widely used in the decoration of chemical laboratories, industrial workshops, food production, as well as the exterior walls for protection against acid rain. Heat-resistant ceramics are used in conditions of large temperature differences: for kitchen aprons, fireplaces, chimney pipes, etc. As a result of the work carried out, it was found out that the production of special building ceramic products is a promising, rapidly developing industry, and the development of new special ceramic products is more relevant than ever.
special ceramics
building ceramics
acid-resistant ceramics
refractory ceramics
heat-resistant ceramics
heat-insulating ceramics

Значение промышленности строительных материалов в нашей стране огромно – от уровня их производства всецело зависят темпы и качество строительных работ. В современном строительстве традиционно используют керамические строительные материалы. Они являются наиболее востребованными и популярными, благодаря своим великолепным эксплуатационным качествам и разнообразию. Конструкции, возведенные из керамических материалов, не подвержены горению и воздействию химически агрессивных сред. На них не влияют погодные условия, такие конструкции не поддаются гниению, характеризуются высокой морозостойкостью и теплоизоляционными свойствами. При этом они долговечны и внешне привлекательны [1]. В тех случаях, когда эксплуатация предполагается в экстремальных условиях (контакт с агрессивными веществами, высокими температурами и др.), в которых традиционные керамические материалы уже не могут удовлетворять повышенным предъявляемым требованиям, применяют специальные керамические материалы и изделия из них.

Целью данной работы является анализ современного состояния производства и перспектив развития основных разновидностей специальных строительных керамических изделий.

Кислотоупорная керамика

Основной областью применения кислотоупорной керамики в строительстве является возведение стен, а также наружная и внутренняя отделка, в тех случаях, когда возможен контакт с агрессивными веществами.

К сферам, где кислотоупорная керамика используется наиболее широко, относятся промышленные помещения и химические лаборатории. Однако значительные преимущества кислотоупорной плитки способствовали активному её применению и в бытовых условиях [2]. Эстетичный внешний вид вместе с высокими физико-механическими характеристиками позволяют применять кислотоупорную плитку для облицовки кухни: фартука, столешницы и пола. Хорошие показатели морозостойкости и истираемости позволяют выложить кислотоупорной плиткой балкон, веранду и тротуарные дорожки, не боясь преждевременного износа [3]. Для производства кислотоупорной керамики используют полукислые и основные спекающиеся глины с высокой пластичностью. Кислотоупорность керамики может быть повышена при использовании соединений, образующих химически стойкую стеклофазу в объеме и на поверхности изделий, что не только повышает кислотоупорность, но и способствует повышению прочности, снижению водопоглощения [4]. Из кислотоупорной керамики выпускают плитки, кирпичи и фасонные изделия.

Плитка из кислотоупорной керамики используется для защиты зданий и сооружений, а также футеровки различного оборудования, при воздействии на них агрессивных химических веществ. Плитки выпускаются различной формы и размеров. Наиболее распространенными являются квадратные, прямоугольные и клиновые плитки, с длиной и шириной от 50 до 200 мм. Толщина плиток обычно составляет от 15 до 50 мм и выбирается в зависимости от предполагаемой нагрузки. Физико-механические свойства кислотоупорных плиток могут значительно изменяться в зависимости от их марки и производителя. В среднем кислотостойкость плиток составляет 97–99 %, предел прочности при изгибе 15–30 МПа, а при сжатии – 15–120 МПа, водопоглощение равно 0,5–8 %, морозостойкость составляет от 10 до 25 циклов [5].

Области применения кислотоупорного кирпича практически аналогичны областям применения кислотоупорной плитки: это футеровка различных конструкций, аппаратов и дымовых труб, работающих в контакте с агрессивными веществами. Кирпич производится прямой, радиальной, фасонной и клиновой форм, может быть высшей и первой категории качества, которые в свою очередь делятся на классы А, Б и В. Кислотоупорный кирпич имеет следующие характеристики: прочность при сжатии от 30 до 70 МПа, кислотостойкость 95–98 %, термическая стойкость не менее 5 теплосмен [6].

Клинкерная керамика

Клинкерная керамика относится к изделиям грубой строительной керамики. Но, в отличие от обыкновенного кирпича, облицовочных плиток и черепицы, изделия из клинкерной керамики обладают значительной механической прочностью, стойкостью к агрессивным средам, высокой износостойкостью и низким водопоглощением. Значения свойств клинкерных керамических изделий связаны с большим количеством стеклофазы в их составе. Обжиг при температуре около 1300 °С до полного спекания шихты обеспечивает плотную микрозернистую структуру без каверн и пустот [7]. Введение в состав шихты плавней и флюсующе-упрочняющих добавок обеспечивает жидкофазное спекание при более низких температурах (1000–1150 °С) и в сочетании со стеклообразующими компонентами шихты позволяет получить эффекты самоглазурования и остекловывания [8–10]. В строительстве клинкерная керамика используется в виде плиток, кирпича и фасонных изделий.

Клинкерная плитка обычно производится методом пластического формования на специальных экструдерах, реже методом полусухого прессования на автоматических прессах. Преимуществом использования экструдеров является возможность выпуска фасонных изделий – плинтуса, ступеней, соединительных элементов, водостоков и т.п. Плитка может выпускаться с рельефной или гладкой поверхностью, покрытая глазурью, может быть окрашена в различные цвета. Клинкерная плитка и фасонные изделия используются для облицовки наружных и внутренних стен, полов, лестниц с высокой проходимостью, а также плавательных бассейнов и других гидротехнических сооружений.

Клинкерный кирпич производят из специальных тугоплавких глин, обжигаемых при температурах выше 1200 °C. Своё название клинкерный кирпич, как, впрочем, и вся клинкерная керамика, получили из-за высокого звука, издаваемого кирпичами при постукивании друг по другу [11]. Благодаря высокой механической прочности, твёрдости, морозостойкости и устойчивости к истираемости клинкерный кирпич используется для кладки тротуаров, мостовых, возведения стен различных сооружений, рассчитанных на продолжительный срок службы.

Клинкерная керамика с успехом используется для замены обычной строительной керамики. Большая стоимость клинкерных керамических изделий компенсируется их длительным сроком службы и высокими физико-механическими характеристиками. В связи с разнообразием сфер применения клинкерной керамики помимо высокой прочности и низкой пористости к изделиям могут предъявляться и другие требования. Например, для гидротехнического клинкера, который, как следует из названия, применяется для отделки гидротехнических сооружений, более важна не прочность или истираемость, а низкое водопоглощение, которое не должно быть больше 1,5 %. Для клинкерной плитки, применяемой при отделке жилых помещений, важен привлекательный внешний вид, а для тротуарного кирпича определяющими показателями являются механическая прочность, истираемость и морозостойкость [12].

Огнеупорная керамика

Огнеупорная керамика применяется для строительства и облицовки производственных помещений металлургической, цементной, керамической и стекольной отраслей промышленности. Огнеупорная облицовка необходима для печей обжига цемента и керамики, стекловаренных печей, муфельных печей для закалки и отпуска сталей. По степени огнеупорности данная керамика подразделяется на классы:

– огнеупорная керамика с огнеупорностью 1580–1770 °C;

– высокоогнеупорная керамика с огнеупорностью 1770–2000 °C;

– керамика высшей огнеупорности керамика с огнеупорностью более 2000 °C [13].

По пористости различают пять классов огнеупорной керамики: особоплотная (пористость менее 3 %), высокоплотная (8–10 %), плотная (10–20 %), обычная (20–30 %) и легковесная (40–80 %).

В зависимости от типа сырья различают керамику:

– шамотную – изготовленную из огнеупорной глины (каолина) с отощающей добавкой (шамотом), изготовленной из каолина, огнеупорность до 1500 °C;

– динасовую – изготовленную из кварцевого песка с добавкой извести или глины, огнеупорность – 1750 °С;

– магнезиальную – изготовленную из магнезита (MgCO3), состоит преимущественно из MgO (периклаза), огнеупорность выше 2000 °С.

Производятся также хромистые, карбидные, углеродистые, доломитовые, полукислые и высокоглиноземнистые огнеупорные изделия [14].

Высокопористые огнеупорные изделия широко применяют в двух главных направлениях. Первое направление заключается в тепловой изоляции и тепловой защите. В этом случае эффективность высокопористых огнеупоров определяется главным образом двумя показателями: теплопроводностью и средней плотностью.

Второе направление связано с использованием развитой поверхности высокопористых огнеупоров. В этом случае решающими показателями являются общая пористость, ее характер, газопроницаемость и другие показатели пористой структуры [15].

Более 50 % всех выпускаемых огнеупорных керамических изделий применяют в черной металлургии, 20 % – в машиностроении, остальной объем – в промышленности строительных материалов, химической промышленности и других отраслях. Для огнеупорной защиты промышленных помещений наиболее широко используют шамотные изделия, однако при воздействии температур выше 1450 °С чаще используют более термостойкую корундовую керамику [16].

Термостойкая керамика

Термостойкая керамика отличается способностью выдерживать множество циклов нагрев – охлаждение без потери своих физико-механических свойств. Также, в зависимости от области применения, термостойкие керамические изделия могут иметь высокую тепло- и огнестойкость, значительную механическую прочность и стойкость к воздействию агрессивных сред. Термостойкие керамические изделия используются в строительстве промышленных помещений (цеха металлургических, стекловаренных и цементных заводов), крематориев, в быту для облицовки каминов и кухонных фартуков, при возведении дымоходов и т.д. [17].

Термостойкие керамические изделия выпускаются преимущественно в виде плиток, реже – фасонных изделий. Основными методами производства изделий из термостойкой керамики являются пластическое и полусухое формование, для фасонных изделий сложной формы – шликерное литьё и литьё на термопластических связках с последующим обжигом.

Высокие требования к эксплуатационным свойствам термостойкой керамики обуславливают сложный состав шихты и разнообразие видов применяемого сырья. По химическому составу принято разделять термостойкую керамику на три группы: оксидную, безоксидную, силикатную или алюмосиликатную. Оксидную керамику производят из чистых оксидов металлов и переходных элементов, безоксидную – из нитридов, карбидов, боридов и т.п. Силикатную и алюмосиликатную термостойкую керамику изготавливают на основе оксидов кремния и алюминия с добавлением соединений циркония, лития, иттрия, титана, бериллия, магния и др. металлов [18]. Основным критерием для возможности использования сырья при производстве термостойкой керамики является коэффициент термического линейного расширения. Он должен быть как можно меньше, чтобы во время циклов нагрев – охлаждение не возникало внутренних напряжений, которые могут вызвать деформацию и разрушение готового изделия. Также коэффициент термического линейного расширения у разных компонентов шихты должен быть по возможности максимально близким друг к другу, что также уменьшит вероятность появления трещин при обжиге. К тому же необходимо помнить о других требованиях, предъявляемых к термостойкой керамике – твёрдости, водопоглощению, химической стойкости. Дороговизна применяемого сырья и сложность производства делают термостойкие керамические изделия сравнительно редкими и узкоспециализированными. Применение термостойкой керамики оправдано при необходимости выдерживать значительные перепады температур при сохранении физико-механических характеристик и химической стойкости.

Теплоизоляционная керамика

Теплоизоляционные керамические изделия находят широкое применение в строительной отрасли для утепления наружных и внутренних стен зданий, а также в качестве футеровки для различного оборудования. Теплоизоляционные материалы производятся преимущественно в виде штучных материалов – кирпичей, блоков. Применение таких лёгких, пористых теплоизоляционных строительных материалов позволяет возводить здания и сооружения с минимальными затратами на отопление [19].

Существуют два основных способа снижения теплопроводности изделий из керамики: это целенаправленное создание пустот в изделии, путем изменения конструкции изделия, а также увеличение количества замкнутых пор, возникающих при обжиге. При создании пустот в изделии обычно делают вертикальные сквозные отверстия различной формы: квадратной, круглой, прямоугольной. Наиболее эффективными являются узкие прямоугольные прорези – в них не забивается кладочный раствор и меньше циркуляция воздуха. Объём прорезей колеблется от 15 до 50 %. Такие изделия называют пустотелыми. Для увеличения количества замкнутых пор при обжиге в шихту вводят выгорающие добавки – опилки, торф, уголь и т.д. В качестве выгорающей добавки могут использоваться и полимерные отходы, но при этом необходимо обеспечить обезвреживание образующихся при горении полимеров токсичных соединений [20, 21]. Возможно использование глинистых материалов, содержащих в своём составе карбонаты или органические вещества. Такую керамику называют поризованной. Для снижения теплопроводности наиболее эффективно использовать оба этих метода в одном изделии.

Однако необходимо помнить, что снижение плотности керамических изделий приводит к уменьшению их прочностных характеристик. Например, пустотелый кирпич, часто называемый «самонесущим кирпичом», нельзя использовать для возведения несущих стен. Его сфера применения ограничивается заполнением каркасов, строительством перегородок и других строительных конструкций, не испытывающих значительных нагрузок [22]. Наличие микропористой структуры позволяет обеспечить теплоизоляционные свойства при меньшем снижении прочностных характеристик [23]. Также стоит учитывать, относятся ли поры к закрытым или открытым, так как открытая пористость увеличивает водопоглощение и снижает морозостойкость [8, 9, 21].

Уменьшение плотности изделий из керамики позволяет существенно увеличить размер штучных изделий, что позволило перейти от многорядной кладки к однорядной. Использование однорядной кладки крупноформатными керамическими изделиями значительно увеличивает скорость возведения зданий и снижает затраты на перевозку и хранение строительных материалов [24].

Заключение

Активное применение специальных керамических изделий в строительстве связано с их уникальными характеристиками. Применение специальной строительной керамики актуально на всех стадиях строительства: при возведении фундамента хорошим решением будет использование кислотоупорной керамики, а стены и дорогу к зданию лучше укладывать из клинкерного кирпича. Использование крупноформатной теплоизоляционной керамики позволяет значительно сократить расходы на отопление и ускорить строительство. Применение огне- и термостойкой керамики необходимо при внутренней облицовке дымовых труб, печей, каминов, цехов металлургических предприятий и других промышленных зданий. Высокие характеристики специальных керамических изделий привели к значительному расширению их ассортимента, несмотря на их большую стоимость [25].