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].
Библиографическая ссылка
Шишакина О.А., Паламарчук А.А. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2020. – № 1. – С. 63-67;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12998 (дата обращения: 21.11.2024).