Definicja CERAMIKA BUDOWLANA. Właściwości materiałów ceramicznych. Rys historyczny

Transkrypt

1 Definicja Ceramika z greckiego keramon (glina), obejmuje wyroby formowane i wypalane ze specjalnie przygotowanej mieszanki, której głównym składnikiem jest glina. CERAMIKA BUDOWLANA dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej pok. 026 Ch.A., tel annjurek@pg.gda.pl Ceramika z greckiego ceramos (materiał wypalony) obejmuje wyroby uformowane z glin naturalnych (lub ich odmian, jak łupek gliniasty, less itp.) oraz ich mieszanin tzw. mas plastycznych, które są następnie suszone i wypalane lub spieczone w wyniku czego uzyskują twardość i wytrzymałość mechaniczną Materiały ceramiczne trwałe termicznie materiały nieorganiczno-niemetaliczne. W materiałach tych dominują pierwszorzędowe kowalencyjne i jonowe wiązania atomowe, które tworzą zazwyczaj sieć przestrzenną, co nadaje materiałom wysokie temperatury topnienia, dużą sztywność i twardość oraz odporność na agresywne środowisko. Właściwości materiałów ceramicznych Materiały ceramiczne charakteryzują się: Twardością Dużą odpornością cieplną Ogniotrwałością Wysoką temperaturą topnienia Dużym oporem elektrycznym Dużą odpornością mechaniczną Małą wytrzymałością na rozciąganie Kruchością Rys historyczny Ceramika należy do najstarszych wyrobów produkowanych przez człowieka Ceramikę znały i wykorzystywały cywilizacje Mezopotamii, Babilonu czy Egiptu. Początkowo wytwarzano z gliny cegłę surową, stosowaną do budowy ścian po przesuszeniu, bez wypalania Cegły produkowano ręcznie, suszono na słońcu i wypalano w prymitywnych piecach opalanych drewnem p.n.e. Mezopotamia Tabliczki gliniane p.n.e. Babilon Wynalezienie cegły p.n.e. Babilon Kolorowa cegła p.n.e. Egipt Cegła zwykła p.n.e. Babilon Wyroby ceramiczne pokrywane glazurą 100 p.n.e. Europa zachodnia Rzymianie rozpowszechniają cegłę w europie zachodniej 500 p.n.e. Grecja Dachówka ceramiczna 1

2 Rys historyczny Świątynia Uruk, Mezopotamia, 1400 p.n.e. Miasto greckie Wieża Babel, Babilon, ok. 690 p.n.e. Rzymskie budownictwo z cegły Po upadku Imperium Rzymskiego (V w n.e.) osiągnięcia techniczne w zakresie produkcji ceramiki użytkowej i budowlanej przejęło Cesarstwo Bizantyjskie. W XI w. n.e. z mauretańskiej Hiszpanii produkcja cegieł rozpowszechniła się na całą Europę. We Francji powstaje nowy styl w architekturze, zwany gotykiem, w którym podstawowym materiałem budowlanym stała się wypalana cegła. Od XII wieku centrami budownictwa ceglanego były Lombardia, Francja i Niemcy. W średniowieczu wprowadzono do przerobu gliny maszyny wykorzystując energię wodną i pracę zwierząt Rys historyczny Historia ceramiki w Polsce XVIII wiek przemysłowa produkcja ceramiki budowlanej związana z rewolucją technologiczną (wynalezienie maszyny parowej) Największy rozwój w zakresie produkcji cegieł przypada na II połowę XIX wieku. Związany jest z trzema zasadniczymi odkryciami technicznymi: z konstrukcją pieca kręgowego Hoffmanna w 1857roku; - z wprowadzeniem mechanicznej prasy ceglarskiej przez Schlickeysena w latach , a także z wprowadzeniem sztucznych suszarni Kellera pod koniec XIX wieku Kolejnym etapem było wprowadzenie piecy tunelowych oraz całkowita automatyzacja procesu technologicznego Piec Hoffmana Ceramika budowlana produkowana jest na ziemiach polskich już od 800 lat. Najstarsze budowle z cegieł, istniejące do dnia dzisiejszego na terenie Polski, pochodzą z XII w. Są to obiekty sakralne częściowo wybudowane z cegieł, a częściowo z kamienia. Najstarszą budowlą w całości wykonaną z cegieł jest kościół w Kobaczu koło Szczecina, którego budowę rozpoczęto w 1210 roku. Kościół w Kobaczu k/szczecina Bazylika Mariacka w Gdańsku największa na świecie świątynia wykonana z cegieł 2

3 Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych Surowce do produkcji ceramiki budowlanej można podzielić na: plastyczne - gliny, iły, łupki ilaste, kaolin Surowce te po zarobieniu wodą dają się formować, a pod obciążeniem odkształcają się plastycznie, zachowując nadany kształt. W wyniku wypalenia tracą zdolność do odkształceń plastycznych. W temperaturze C powstają nowe związki nadające wyrobom odporność mechaniczną i chemiczną nieplastyczne dodatki schudzające (piaski kwarcowe, łupki kwarcytowe, szamot, skały krzemionkowe, złom ceglany, popioły lotne) ograniczają skurcz!!! topniki (skalenie: glinokrzemiany potasu, sodu, rzadziej wapnia, a także tlenki żelaza, tlenek wapnia lub magnezu), obniżają temperaturę topnienia i spiekania szkliwa cienka warstwa masy szklanej, zapewnia gładkość i barwę oraz nieprzepuszczalność dla cieczy i gazów surowce specjalne Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne możemy podzielić na: 1. Kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo są stosowane do wyrobu porcelany, porcelitu i fajansu. 2. Gliny ogniotrwałe, stosowane do wyrobu materiałów ogniotrwałych (odpornych na wysokie temperatury - np. elementy konstrukcyjne pieców) 3. Gliny kamionkowe, wypalają się na kolor czerwony, szary, kremowy i różowy. Stosuje się je do wyrobu naczyń kamionkowych, płytek podłogowych i rur kanalizacyjnych. 4. Gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalają się na kolor czerwony. Stosuje się je do produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanej takich jak cegły, dachówki i in. Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych Podstawowym składnikiem glin jest minerał kaolinit o wzorze Al 4 (OH) 8 (Si 4 O 10 ), który zmieszany z ziarnami kwarcu, miki, nierozłożonego skalenia, tlenków żelaza i innych domieszek tworzy glinę. Kaolinit bez domieszek żelaza tworzy glinę białą kaolin Jedną z cech charakterystycznych glin jest ich skład granulometryczny, czyli zawartość charakterystycznych frakcji ilastej o cząsteczkach poniżej 0,002 mm, gliniastej o ziarnach poniżej 0,005 mm, pyłowej o ziarnach 0,005 do 0,15 mm. Klasyfikacja wyrobów ceramicznych Stosowane w budownictwie wyroby ceramiczne klasyfikuje się w zależności od rodzaju surowców, stopnia wypalenia, technologii produkcji, przeznaczenia. Ze względu na skład surowców wyróżnia się takie wyroby ceramiczne, jak: 1. ceramika czerwona, produkowana z niskotopliwych glin żelazistych i wapnistych z surowcami schudzającymi; temperatura wypalania jest rzędu 900ºC, a po wypaleniu otrzymuje się porowate wyroby o zabarwieniu od kremowego do ciemnoczerwonego; 2. ceramika czerwona poryzowana otrzymywana przez dodanie do gliny składników łatwo palnych, jak np. trociny czy mączka drzewna, które w czasie wypalania wyrobu ulegają utlenieniu, pozostawiając mikropory zwiększające termoizolacyjność wyrobu; 3. klinkier, otrzymywany zwykle z gliny jednego gatunku lub mieszanin glin z dodatkami schudzającymi; po spieczeniu w temperaturze ºC uzyskuje się wyroby o bardzo małej nasiąkliwości i dużej wytrzymałości; 3

4 Klasyfikacja wyrobów ceramicznych 4. kamionka, wytwarzana z glin kamionkowych z dodatkiem materiałów schudzających i topników, po spieczeniu w temperaturze C otrzymuje się wyroby o dużej wytrzymałości, barwy od ciemnoczerwonej do brązowej, które są zwykle szkliwione; 5. ceramika ogniotrwała, otrzymywana z glin ogniotrwałych z dodatkiem surowców mineralnych; w zależności od rodzaju dodatków otrzymuje się wyroby szamotowe, krzemionkowe, magnezytowe i inne; wyroby te odznaczają się wysoką ogniotrwałością, a temperatura topnienia przekracza zwykle 1580 C; 6. fajans, produkowany z biało wypalających się glin w temperaturze ok C, z domieszką skaleni lub kwarcu; wyroby fajansowe są szkliwione; 7. porcelana, wytwarzana z kaolinu, kwarcu i skaleni; po spieczeniu czerep w kolorze białym charakteryzuje się zwartością i dużą odpornością mechaniczną; wyroby porcelanowe są szkliwione; 8. porcelit, otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ilaste, kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione. Rodzaje wyrobów ceramicznych Ze względu na strukturę czerepu wyrobów i związanej z tym zdolności wchłaniania wody (nasiąkliwości) ceramikę budowlaną dzieli się na: 1. Wyroby ceramiczne o strukturze porowatej chłonące wodę, o nasiąkliwości do 22%. Jest to tzw. ceramika czerwona wypalana w temperaturze C Wyroby ceglarskie (cegły budowlane, cegły modularne, dziurawki i kratówki, pustaki ścienne i stropowe, pustaki do przewodów kominowych, elementy nadproży ceramiczno-żelbetowych, dachówki i gąsiory dachowe, rurki drenarskie itp.), Wyroby drobnoporowate szkliwione (np. kafle piecowe, płytki ścienne i elewacyjne), Wyroby ogniotrwałe (kształtki i cegły szamotowe, kształtki krzemionkowe lub dolomitowe); Rodzaje wyrobów ceramicznych Rodzaje wyrobów ceramicznych 2. wyroby ceramiczne o strukturze zwartej, spieczonej o bardzo małej porowatości, o nasiąkliwości wagowej od 6% do 12%; produkuje się je z glin o stosunkowo niskiej temperaturze spiekania i wysokiej temperaturze stapiania C. Wyroby klinkierowe: cegły budowlane, cegły kanalizacyjne, cegły kominowe, płytki podłogowe terakotowe Wyroby kamionkowe: płytki ścienne i posadzkowe, rury kanalizacyjne, cegły kwasoodporne 3. wyroby z ceramiki półszlachetnej - obejmuje ceramikę i wyroby fajansowe, których nasiąkliwość wagowa jest mniejsza od 12%, a surowcem do produkcji wyrobów fajansowych jest glina ilasta, kwarc, szamot, kaolin, skaleń - dobierane w różnych zestawieniach. Z fajansu wytwarzane są: płytki ceramiczne szkliwione (okładzinowe) oraz wyroby porcelanowe (ceramika szlachetna) stosowane jako przybory sanitarne, takie, jak: umywalki, zlewy i zlewozmywaki, pisuary, bidety. Wyroby kamionkowe Cegła klinkierowa 4

5 Klasyfikacja wyrobów ceramicznych Produkcja wyrobów ceramicznych Podstawowe etapy procesu produkcji: 1. zestawienie surowców (plastyczny + schudzający + woda) 2. homogenizacja masy ceramicznej 3. formowanie surówki (ukształtowanie wyrobu) 4. suszenie surówki 5. wypalanie I Etap przygotowanie surowców Przygotowywanie surowców: rozdrabnianie, magazynowanie, mielenie, klasyfikacja ziaren - przesiewanie I Etap zestawienie surowców 1. plastyczny: 70 do 80 % m. 2. schudzający: 20 do 30% m. Pozyskiwanie surowca w kopalni 3. woda: w ilości niezbędnej do uzyskania wymaganego stopnia plastyczności masy ceramicznej (wg sposobu formowania): plastyczna: ok % m. półsucha (prasowanie): < 15% m. sucha (prasowanie): ok. 8% m. Ilość wody zależy ponadto od rodzaju stosowanego surowca plastycznego (uziarnienie, powierzchnia). Formowanie hałdy 5

6 II Etap rozdrabnianie materiału II Etap produkcji wyrobów ceramicznych Po dodaniu surowców polepszających jakość (piasek, bazalt) glinę rozdrabnia się w gniotowniku - maszynie rozdrabniającej - za pomocą walców gładkich na poziomym dnie misy gniotownika. Jednocześnie rozdrabnia się obce ciała, np. kamienie, korzenie itp. Przylegające walce pozwalają otrzymać pożądaną wielkość ziaren. Homogenizacja masy ceramicznej II Etap - homogenizacja Z miejsca, gdzie znajdują się walce do drobnego mielenia transportuje się glinę przenośnikami taśmowymi do dołownika. Następnie glina mieszana jest bardziej dokładnie i odpowiednio nawilżana. III Etap formowanie: nadawanie odpowiedniego kształtu. Formowanie surówki niskociśnieniowe W przecieraku sitowym nawilża się glinę i jeszcze raz homogenizuje. Przecierak sitowy 6

7 III Etap formowanie: nadawanie odpowiedniego kształtu. Formowanie surówki wysokociśnieniowe III Etap formowanie cegły Glina odpowietrzana jest w prasie stemplowej, wypychana przez wał ślimakowy i formowana za pomocą ustników na pasma gliny. Kostki w ustniku pozostawiają otwory w cegle. Następnie ucinak oddziela poddane obróbce pasma gliny na kawałki o długości 1,5 m. Pasma gliny przesuwane są przez taśmociąg transportujący do ucinacza wielostrunowego, gdzie dzieli się je na znormalizowane formaty cegieł. III Etap formowanie: nadawanie odpowiedniego kształtu. IV Etap suszenie surówki Suszenie surówki Formowanie cegły Formowanie pustaków 7

8 IV Etap suszenie surówki W suszarni tunelowej zestaw wózków z surówką przesuwa się w przeciwprądzie gorącego powietrza Szybkość dyfuzji wody z wnętrza wyrobu powinna być równa szybkości odparowywania, wówczas nie dochodzi do rys i pęknięć na powierzchni surówki Czas suszenia wynosi 30 godzin do kilku dni V Etap wypalanie Orientacyjny przebieg wypalania ceramiki porowatej V Etap wypalanie Piec kręgowy Hoffmana ( wędrująca ogień ) 1. Dosuszanie 2. Podgrzewanie 3. Wypalanie właściwe 4. Studzenie 8

9 V Etap wypalanie V Etap wypalanie Zmiany objętości surówki i zarys zachodzących procesów Piec tunelowy ( wędrująca surówka ) Suszenie i wypalanie Skurcz glin przy suszeniu to skurcz powietrzny, zachodzi w wyniku odparowywania wody. Wypalaniu towarzyszy natomiast skurcz ogniowy 1-2% wywołany przemianami fizykochemicznymi Temperatura wypalania temperatura, w której związki mineralne gliny reagują ze sobą tworząc nowe związki sylimanit (Al 2 O 3 SiO 2 ) oraz mulit (3Al 2 O 3 2SiO 2 ). Jeśli wyrób osiągający stan największej porowatości ogrzewa się dalej do C, to powstające plynne związki zalewają pory i zwiększają zwartość struktury. Proces ten nosi nazwę spiekania lub klinkieryzacji, a temperatura, w której zachodzi ten proces temperaturą spiekania Temperatura topnienia temperatura, w której następuje mięknienie i topnienie wyrobu prowadzące do deformacji kształtu i jego rozpłynięcia Suszenie i wypalanie Dla właściwości użytkowych glin ważna jest różnica pomiędzy temperaturą spiekania i temperaturą topnienia. Im bardziej różnią się obie temperatury, tym łatwiej jest wypalać wyroby spiekane. W zależności od temperatury topnienia gliny rozróżnia się: Gliny ogniotrwałe o temperaturze topnienia powyżej 1580 C Gliny trudnotopliwe o temperaturze topnienia C Gliny łatwotopliwe o temperaturze topnienia poniżej 1350 C Obecność topników obniża znacznie temperaturę spiekania i topnienia gliny 9

10 Domieszki i zanieczyszczenia występujące w glinach Składniki szkodliwe glin w surowcach plastycznych mogą występować szkodliwe, niekorzystnie działające na jakość wyrobów składniki. Są to związki chemiczne, które w wyniku zachodzenia określonych przemian przyczyniają się do niszczenia wyrobów ceramicznych, pogorszenia wyglądu. Najczęściej są to margle (CaCO 3 ), siarczany rozpuszczalne w wodzie oraz siarczki. Margiel to węglan wapniowy, który może występować w postaci mniej lub bardziej rozproszonych cząstek, ziarn i okruchów. Podczas wypalania przechodzi w CaO tlenek wapniowy czyli wapno palone. Zawartość margla jako wada wyrobów ceramicznych Domieszki i zanieczyszczenia występujące w glinach 2. Siarczany rozpuszczalne w wodzie są to siarczany sodu Na 2 SO 4 i magnezu MgSO 4. Z uwagi na krystalizację z przyłączeniem wody zwiększają swoją objętość co wyzwala siły rozsadzające, niszczące wyroby. 3. Siarczki piryt z uwagi na zawartość siarki stanowią źródło powstawania soli szkodliwych, rozpuszczalnych w wodzie Przy dostępie wody uwadnia się, przechodząc w wodorotlenek wapniowy Ca(OH) 2 o zwiększonej objętości, powodując odpryski i inne podobne uszkodzenia. Działa szkodliwie jeżeli średnica ziarna przekracza 2 mm. 10

11 Różnice w produkcji i właściwościach ceramiki porowatej i spieczonej KARTKÓWKA Co to jest skurcz i w jaki sposób możemy ograniczać niekorzystny wpływ tego zjawiska na gotowy wyrób ceramiczny? 11