2013-02-27 1 CERAMIKA BUDOWLANA Definicja
advertisement
2013-02-27 Definicja Ceramika – z greckiego keramon (glina), obejmuje wyroby formowane i wypalane ze specjalnie przygotowanej mieszanki, której głównym składnikiem jest glina. Ceramika – z greckiego ceramos (materiał wypalony) obejmuje CERAMIKA BUDOWLANA dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej pok. 026 Ch.A., tel. 58 347 29 37 e-mail: [email protected] 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. 11 000 p.n.e. Mezopotamia Tabliczki gliniane 4 000 p.n.e. Babilon Wynalezienie cegły 3 000 p.n.e. Babilon Kolorowa cegła 2 000 p.n.e. Egipt Cegła zwykła 1 800 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 2013-02-27 Rys historyczny • Po upadku Imperium Rzymskiego (V w n.e.) osiągnięcia techniczne w zakresie produkcji ceramiki użytkowej i budowlanej przejęło Cesarstwo Bizantyjskie. Świątynia Uruk, Mezopotamia, 1400 p.n.e. Wieża Babel, Babilon, ok. 690 p.n.e. • 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 Miasto greckie Rzymskie budownictwo z cegły Historia ceramiki w Polsce Rys historyczny • 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 1860-1870, a także z wprowadzeniem sztucznych suszarni Kellera pod koniec XIX wieku • Kolejnym etapem było wprowadzenie piecy tunelowych oraz całkowita automatyzacja procesu technologicznego • 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. Piec Hoffmana Kościół w Kobaczu k/Szczecina Bazylika Mariacka w Gdańsku – największa na świecie świątynia wykonana z cegieł 2 2013-02-27 Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych 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 800-900°C powstają nowe związki nadające wyrobom odporność mechaniczną i chemiczną 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. • 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 Klasyfikacja wyrobów ceramicznych Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych • Podstawowym składnikiem glin jest minerał kaolinit o wzorze Al4(OH)8(Si4O10), 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. 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 1150-1250ºC uzyskuje się wyroby o bardzo małej nasiąkliwości i dużej wytrzymałości; 3 2013-02-27 Klasyfikacja wyrobów ceramicznych 4. kamionka, wytwarzana z glin kamionkowych z dodatkiem materiałów schudzających i topników, po spieczeniu w temperaturze 1160-1300°C otrzymuje się wyroby o dużej wytrzymałości, barwy od ciemnoczerwonej do brązowej, które 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: 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; 1. Wyroby ceramiczne o strukturze porowatej – chłonące wodę, o 6. fajans, produkowany z biało wypalających się glin w temperaturze ok. 1350°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; i kratówki, pustaki ścienne i stropowe, pustaki do przewodów kominowych, elementy nadproży ceramiczno-żelbetowych, dachówki i gąsiory dachowe, rurki drenarskie itp.), 8. porcelit, otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ilaste, kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione. 5. nasiąkliwości do 22%. Jest to tzw. ceramika czerwona wypalana w temperaturze 900-110°C – Wyroby ceglarskie (cegły budowlane, cegły modularne, dziurawki – 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 3. wyroby z ceramiki półszlachetnej - obejmuje ceramikę i wyroby małej porowatości, o nasiąkliwości wagowej od 6% do 12%; produkuje się je z glin o stosunkowo niskiej temperaturze spiekania i wysokiej temperaturze stapiania 1100-1300°C. 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. • Wyroby klinkierowe: cegły budowlane, cegły kanalizacyjne, cegły kominowe, płytki podłogowe terakotowe • Wyroby kamionkowe: płytki ścienne i posadzkowe, rury kanalizacyjne, cegły kwasoodporne Wyroby kamionkowe 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. Cegła klinkierowa 4 2013-02-27 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. 3. woda: w ilości niezbędnej do uzyskania wymaganego stopnia plastyczności masy ceramicznej (wg sposobu formowania): plastyczna: ok. 15-20% m. półsucha (prasowanie): < 15% m. Pozyskiwanie surowca w kopalni sucha (prasowanie): ok. 8% m. Ilość wody zależy ponadto od rodzaju stosowanego surowca plastycznego (uziarnienie, powierzchnia). Formowanie hałdy 5 2013-02-27 II Etap – rozdrabnianie materiału 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. 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. II Etap produkcji wyrobów ceramicznych Homogenizacja masy ceramicznej III Etap – formowanie: nadawanie odpowiedniego kształtu. Formowanie surówki – niskociśnieniowe W przecieraku sitowym nawilża się glinę i jeszcze raz homogenizuje. Przecierak sitowy 6 2013-02-27 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 2013-02-27 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 2013-02-27 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 (Al2O3·SiO2) oraz mulit (3Al2O3·2SiO2). • Jeśli wyrób osiągający stan największej porowatości ogrzewa się dalej do 1200-1300°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 1350-1580°C – Gliny łatwotopliwe o temperaturze topnienia poniżej 1350°C • Obecność topników obniża znacznie temperaturę spiekania i topnienia gliny 9 2013-02-27 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 (CaCO3), 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 Na2SO4 i magnezu MgSO4. 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 2013-02-27 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
