Керамические стеновые и теплоизоляционные изделия
Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные на основе минерального природного или техногенного сырья путем формования и последующего спекания при обжиге.
Для производства стеновых материалов основным сырьем служат глинистые породы (Al2O3 · nSiO2mH2O). Они выполняют две функции:
– придают массам способность принимать определенную форму, сохранять ее и упрочняться при сушке;
– обеспечивают при обжиге (950 – 1050 оС) за счет спекания превращение начального конгломерата слабосвязанных частиц, объединенных силами трения и адгезии, в искусственный прочный и водостойкий материал.
Физико-химические процессы, протекающие при спекании, включают:
а) взаимодействие между отдельными компонентами смеси или продуктами их распада в твердом состоянии (твердофазовое спекание);
б) стяжение и склеивание твердых частиц силикатным расплавом, образующимся из легкоплавких соединений смеси (жидкостное спекание);
в) кристаллизацию минералов керамического черепка (муллит 3Al2O3 · 2SiO2 и др.).
Механическая прочность стеновой керамики является ее ключевым свойством и зависит от всего технологического процесса производства: рецептуры шихт, свойств сырья, методов переработки и формования, режима обжига (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема изготовления керамических изделий
Марку камня по прочности устанавливают по значению предела прочности при сжатии, а кирпича – по значению пределов прочности при сжатии и изгибе (прил. 2). Для зернистых керамических материалов (керамзит и его разновидности) в БрГУ разработана методика оперативной оценки прочности путем сжатия отдельных гранул в среде песка (прил. 20).
Согласно ГОСТ 530–95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» изделия с вертикально расположенными пустотами в зависимости от прочности подразделяются на марки: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а с горизонтально расположенными пустотами – 25, 35, 50, 100.
На предприятиях приемосдаточные испытания партий изделий стеновой керамики осуществляют по следующим показателям:
– внешний вид (наличие дефектов внешнего вида);
– размеры и правильность формы;
– масса изделия;
– предел прочности при сжатии изделий;
– предел прочности при изгибе для кирпичей марок 75 и 100.
Периодические испытания включают определение:
а) наличия известковых включений; б) водопоглощения; в) предела прочности при изгибе кирпичей марки 125 и выше; г) морозостойкости; д) удельной эффективной активности естественных радионуклидов.
Теплопроводность изделий определяют при постановке продукции на производство, а также каждый раз при изменении сырьевых материалов, размера и количества пустот.
Масса кирпича в высушенном состоянии не должна быть более 4,3 кг, камней – более 16 кг. По морозостойкости изделия подразделяют на марки: F15, F25, F35, F50. Водопоглощение для полнотелого кирпича должно быть не менее 8 %, для пустотелых изделий – не менее 6 %.
Условное обозначение керамического изделия состоит из названия, вида, марки по прочности и морозостойкости, обозначения стандарта. Например, кирпич керамический пустотелый одинарный марки по прочности 150, по морозостойкости F15:
Кирпич КП-0 150/15/ГОСТ 530–95;
камень керамический марки по прочности 100, по морозостойкости F15:
Камень К 100/15/ГОСТ 530–95.
Способы производства и свойства керамических теплоизоляционных изделий имеют много общего со свойствами строительной керамики и способами ее изготовления. Основное различие – высокая пористость керамических теплоизоляционных изделий, что обуславливает небольшую среднюю плотность, малую прочность и низкую теплопроводность.
Основным сырьем в производстве теплоизоляционной керамики служат диатомиты и трепелы, представляющие собой микропористые кремнистые породы осадочного происхождения. Кроме природного гидрата кремнезема (mSiO2 · nH2O), они содержат в небольших количествах глиноземистые вещества, карбонаты и сульфаты натрия, кальция, магния и примеси органических веществ. Высокая пористость изделий достигается методом пенообразования или применением выгорающих добавок.
Согласно ГОСТ 2694–78 «Изделия пенодиатомитовые и диатомитовые теплоизоляционные» в зависимости от основного показателя качества – средней плотности – диатомитовые изделия подразделяются на марки Д500 и Д600, а пенодиатомитовые – на марки ПД – 350, ПД – 400.
Показатели физико-механических свойств керамических теплоизоляционных изделий из диатомитов и трепелов, получаемых с применением пены (ПД) или выгорающих добавок (Д), приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Показатели физико-механических свойств
диатомитовых теплоизоляционных изделий
| Показатели | Д-500 | Д-600 | ПД-350 | ПД-400 |
| Средняя плотность, кг/м3, не более | ||||
| Теплопроводность Вт/(м·К), при температуре: 298±5 ºС 573±5 ºС | 0,104 0,156 | 0,116 0,168 | 0,083 0,122 | 0,095 0,134 |
| Предел прочности при сжатии, МПа, не менее | 0,6 | 0,8 | 0,6 | 0,8 |
| Линейная температурная усадка при 900 ºС, %, не более |
Диатомитовые изделия, применяемые для теплоизоляции сооружений, промышленного оборудования и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 900 оС, выпускают в виде кирпича, полуцилиндров и сегментов, а пенодиатомитовые изделия – только в виде кирпича.
Прочность при сжатии
Предел прочности при сжатии кирпича определяют на образцах, представляющих собой два целых изделия или две половинки его, а предел прочности при сжатии камней определяют на целом камне. Допускается определять предел прочности на сжатие на половинках кирпича, полученных после испытания на изгиб.
Кирпичи или их половинки укладывают постелями друг на друга. Половинки размещают поверхностями раздела в противоположные стороны.
Образцы из керамического кирпича и камня пластического формования испытывают, соединением частей образца и выравниванием их опорных поверхностей слоем цементного раствора толщиной не более 5 мм.
Образцы керамического кирпича полусухого прессования испытывают насухо, не производя выравнивания их поверхностей.
Для определения предела прочности при сжатии изделий пластического формования допускается опорные поверхности образцов выравнивать шлифованием, гипсовым раствором или применяя прокладки.
На боковые поверхности образца наносят вертикальные осевые линии. Образец устанавливают в центре плиты пресса, совмещая оси образца и плиты, и прижимают верхней плитой пресса.
Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20…60 секунд после начала испытаний.
Предел прочности при сжатии Rсж, МПа, образца вычисляют по формуле
, (2.1)
где Р – разрушающая нагрузка, кгс;
F – площадь поперечного сечения образца, вычисляемая как среднеарифметическое значение площадей верхней и нижней его поверхностей, см2.
Для вычисления предела прочности при сжатии образцов из двух целых кирпичей толщиной 88 мм или из двух их половинок результаты испытаний умножают на коэффициент 1,2.
Предел прочности при сжатии образцов в партии вычисляют
с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см2) как среднее арифметическое значение результатов испытаний десяти образцов (или 10 парных половинок).
Форма таблицы 2.2
Прочность при сжатии
| Номер образца | Размеры образца в сечении, перпендикулярном направлению сжатия, см | Площадь поперечного сечения F = a b, см2 | Разрушающая нагрузка Р, кгс | Прочность при сжатии Rсж, МПа | Среднее значение прочности при сжатии Rсж, МПа | ||||||||
| а | b | ||||||||||||
Согласно ГОСТ 2694–78 предел прочности при сжатии и среднюю плотность теплоизоляционных диатомитовых изделий определяют на трех изделиях. Результаты определений записывают
в виде таблицы (формы табл. 2.2 и 2.3).
Форма таблицы 2.3
Средняя плотность керамических изделий
| Номер образца | Масса образца, г | Размеры образца, см | Объем образца, см3 | Средняя плотность, rm, г/см3 | Среднее значение rm, г/см3 | ||
| Длина l | Высота h | Ширина b | |||||
По полученным значениям средней плотности можно провести сравнительный анализ расчетных значений теплопроводности керамических стеновых и теплоизоляционных изделий, используя формулу (1.2).
Прочность при изгибе
Предел прочности при изгибе керамического кирпича определяют на целых кирпичах, которые испытывают по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах с расстоянием между ними 20 см. Испытания проводят сосредоточенной нагрузкой, приложенной посередине пролета. В местах опирания и приложения нагрузки поверхность кирпича пластического формования выравнивают цементным или гипсовым раствором, шлифованием или применяя прокладки. Кирпич с несквозными пустотами устанавливают на опорах так, чтобы пустоты располагались в растянутой зоне образца.
Керамический кирпич полусухого прессования испытывают на изгиб без применения растворов и прокладок. Нагрузка должна передаваться посередине плавно через каток, со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20–30 секунд после начала испытаний.
Образцы измеряют с погрешностью до 1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое значений результатов измерений двух средних линий противолежащих поверхностей образца.
Предел прочности при изгибе Rизг, МПа, образца рассчитывают по формуле:
,
где Р – разрушающая нагрузка, кгс; l – расстояние между осями опор, см; b – ширина образца, см; h – высота образца посередине пролета без выравнивающего слоя, см.
Предел прочности при изгибе кирпичей в партии вычисляют с точностью до 0,05 МПа (0,5 кгс/см2) как среднее арифметическое значение результатов испытаний пяти образцов.
Результаты испытания записывают в таблицу (форма табл. 2.4).
Таблица 2.4
Прочность при изгибе
| № образца | Расстояние между опо-рами, см | Размеры сечения образца, см | Разрушающая нагрузка Р, кгс | Предел прочности при изгибе Rизг, МПа | Среднее значение предела прочности при изгибе Rизг, МПа | |
| b | h | |||||
Вычисляя предел прочности при изгибе, не учитывают образцы (не более одного в каждую сторону), пределы прочности которых имеют отклонение от среднего значения Rизг всех образцов более чем на 50 %.