Классификация материалов по температуре применения

 

 

 

2013

 

Часть 1

1. Классификация  материалов по температуре применения

В зависимости от степени  огнестойкости строительные материалы  разделяют на несгораемые, трудносгораемые  и сгораемые.

Несгораемые материалы  в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров.

Трудносгораемые материалы  под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы тления или обугливания  полностью прекращаются.

Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них - древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой  температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного  времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами  и т.п.), а материал сохраняет необходимые  технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей.

Материалы, способные  длительное время выдерживать воздействие  высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы.

Температуростойкость  или термостойкость - способность  выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям. Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения - линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С. Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10 ... 14) • 106, для древесины вдоль волокон (3 ... 5) • 106.

 

 

2. Главнейшие  излившиеся горные породы: минералогический  состав, объемная масса, прочность  при сжатии и область применения (данные представьте в виде таблицы)

Излившиеся породы являются аналогами глубинных по составу, но сильно отличаются от них по структурным  и текстурным особенностям.  
Наличие полнокристаллической и стекловатой структур, а также немассивной, часто пористой текстуры неблагоприятно отражается на стойкости их к выветриванию и стабильности прочностных показателей. Однако среди них обнаруживается немало прочных и плотных разновидностей, широко применяемых в строительстве. Из их числа рассматриваются кварцевые порфиры и липариты; бескварцевые порфиры (ортофиты) и трахиты; порфирита и андезиты; диабазы и базальты, расположенные в приведённом порядке по тому же признаку уменьшения кремнезёма, что и в группе глубинных пород.

Наименование	Состав	Плотность	Прочность при  сжатии	Область применения
Кварцевые порфиры	Порфировая  структура с наличием в мелкозернистой или стекловатой массе породы вкрапленников - крупных кристаллов кислого полевого шпата и реже кварца.   Цветные силикаты наблюдаются в виде мелких чешуек биотита или тонких иголочек роговой   обманки.   Окрашены в красновато-бурые тона	2.4 ... 2.6 г/см3	от 130 до 180 МПа	Для отделочных работ
Кварцевые липариты	Более лёгкие и  пористые по сравнению с кварцевыми порфирами породы белого, светло-серого цвета, содержащие небольшие вкрапления кислого полевого шпата и среднего плагиоклаза, а также повышенное количество нераскристалли-зованного вулканического стекла	2.4...2.6 г/см3		Декоративный  вид и способность полироваться позволяют применять некоторые  разновидности липаритов наравне  с   гранитами для отделочных работ
Бескварцевые  порфиры (ортофиты)	Сильно изменён  минеральный состав с появлением в нём вторичных минера-   лов: каолинита, карбонатов, хлоритов и т.д., которые уплотняют породу, заполняя её пустоты, и способствуют образованию вторичной микрозернистой   структуры. Бескварцевые порфиры окрашены в серовато-зелёный или красновато-бурый цвета	от 1.6 до 2.6 г/см3	от 60 до 70 МПа	Красивые разновидности  ортофиров применяются для отделочных работ   (алтайские ортофиты). Эти породы хорошо поддаются обработке, но не полируются и быстро истираются.
Трахиты	Пористые и  сильно шероховатые породы белой, серой, желтоватой окраски с ясно выраженной порфировой структурой.	от 1.6 до 2.6 г/см3	от 60 до 70 МПа	Используют  для изготовления бута, щебня, как кислотоупорный материал
Порфириты	Отличаются  пористой текстурой и порфировой структурой с вкрапленниками плагиоклазов   или роговой обманки. Порфириты отличаются повышенной выветриваемостью и наличием вторичных силикатов - серицита, хлорита и др.	2.7 ... 3.1 г/см3	от 140 до 250 МПа	Используются   как дорожный камень; пористые лёгкие разновидности андезитов идут на   изготовление стенового материала, из плотных же андезитов получают кислотостойкие материалы.
Андезиты	Менее выветрившиеся  серые, желтовато-серые или буроватые пористые породы, сложенные авгитом или роговой обманкой и средним плагиоклазом-   андезипом	2.7 ... 3.1 г/см3	от 140 до 250 МПа
Диабазы.	Имеют скрытокристаллическую  структуру, с заполнением промежутков  между плагиоклазами мелкозернистой авгитовой массой.   Они окрашены в зелёные и зеленовато-серые тона. В связи с большим содержанием железисто-магнезиальных силикатов они отличаются значительной   вязкостью	2.7 ... 2.9 г/см3	от 300 до 450 МПа	Имеют средние  твёрдость и обрабатываемость, хорошо полируются
Базальты.	Представляют  собой чёрную плотную   застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном со-   стоянии. В них часто встречаются различные включения (ксенолиты), снижающие их качество.   Наиболее ценными считаются свежие мелкозернистые базальты,   не содержащие стекла и оливина	3.0...3.3 г/см3	до 500 МПа	Являются хорошими кислотоупор-ными и электроизоля-ционными материалами и высоко ценятся  как   сырьё для каменного литья. Литой камень базальтин используется для получения отделочных изделий, труб, химической аппаратуры, отличающихся кислотоупор-ностью, высокой прочностью (до 800 МПа) и долговечностью

 

3. Процессы, происходящие  в глинах при нагревании.

При нагревании глиняного  теста до 110°С происходит удаление задельной воды и гигроскопической влаги, что вызывает воздушную усадку. Повышение температуры до 500—600° С приводит к удалению химически связанной воды, что, в свою очередь, приводит к потере глиной свойства пластичности. Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению некоторых примесей глин.

Углекислые соли разлагаются  с выделением углекислоты, углерод  и сера выгорают, а также выгорают все органические вещества. При повышении  температуры отдельные частицы  различных легкоплавких примесей оплавляются. При этом наступает уплотнение глиняного черепка и повышение его прочности; наступает период так называемого «начального спекания».

При дальнейшем нагревании легкоплавкие примеси, расплавляясь под  действием высокой температуры, образуют жидкую фазу — расплав, который заполняет поры и, стягивая частицы основного вещества, вызывает уплотнение и значительную «огневую усадку». Максимальное уплотнение черепка, образовавшееся в результате исчезновения открытых пор, характеризует его «полное спекание». Наиболее полное спекание черепка приводит к повышению механической прочности, что в свою очередь находится в прямой зависимости от количества жидкой фазы.

Чем больше образовалось в процессе спекания жидкой фазы, тем  прочнее образцы. В практике спекшимся  черепком считается такой, который поглощает воду в количестве не более 5,0% своего веса (ГОСТ 5499—50). Температура спекания находится в зависимости от продолжительности нагревания. Продолжительное нагревание вызывает спекание при более низкой температуре.

Повышение температуры приводит к увеличению жидкой фазы, к снижению ее вязкости и размягчению материала, что вызывает деформацию образцов. При размягчении может наблюдаться вспучивание, образование пузырей, вследствие расширения газов, содержащихся и образующихся в закрытых порах.

По мере повышения  температуры и увеличения количества жидкой фазы за размягчением глин следует  плавление, которое наступает постепенно.

Таким образом, глины  плавятся в некотором интервале, не имея определенной температуры плавления. Это объясняется тем, что глины представляют собой весьма сложные силикатные смеси, отдельные составляющие которых ведут себя различно при одинаковых температурных условиях. В связи с этим для характеристики плавкости пользуются определением огнеупорности глины, понимая под этим температуру, при которой наступает состояние значительного размягчения.

Интервал между температурой спекания и температурой плавления  называют интервалом плавкости, причем величина его имеет существенное значение при обжиге керамических изделий. Чем больше интервал плавкости, тем меньше могут оказывать влияние на их качество перепады температур в печи при обжиге. Глины, богатые Аl2O3, обладают большими интервалами плавкости. Понижение интервала плавкости вызывается присутствием в глинах CaO.

 

 

 

4. Способы изготовления и свойства керамических облицовочных плиток

Технология производства керамической плитки Основные способы производства. Сырье

На заводах строительной керамики изделия производят в основном, тремя способами: полусухим прессованием из порошков влажностью 5—7% (основной способ), литьем из шликера (глинистая суспензия в воде) влажностью 30—33% и пластическим формованием из масс влажностью 14—20%.

Изделия строительной керамики в общем случае получают в процессе технологической обработки глинистого сырья с минеральными добавками, формования изделий, сушки и обжига (термообработки) их до спекания различной степени в зависимости от назначения изделия и качества глинистого сырья.

Поточно-конвейерные  линии (ПКЛ) керамоплиточного производства включают комплекс оборудования, каждый агрегат которого является самостоятельным узлом в единой технологии: прессы полусухого прессования, распределительно-разгрузочные устройства прессованных полуфабрикатов перед сушкой и обжигом, щелевую сушилку, глазуровочные и декорирующие устройства, печи скоростного обжига, установки для сортировки и упаковки изделий.

Сырьем для керамических плиток служат основные компоненты (глины, каолины), отощающие компоненты для  снижения усадки (кварцевые пески, природные  и полученные при обогащении каолинов), плавни для понижения температуры спекания (природные — полевые шпаты, нефелины, перлиты и искусственные — стекло и шлаки) и добавки (разжижители, ПАВ, механоактивирующие и др.).

Керамические плитки для внутренней облицовки стен получают в основном из красных легкоплавких, реже светлых тугоплавких глин полусухим прессованием пресс-порошков влажностью 6—7%, используя чаще всего шликерную подготовку последних.

Приготовление и компоненты шихты

При шликерной подготовке массы глинистые компоненты распускают в воде до коллоидного состояния, отощающие и плавни диспергируют до частиц менее 0,06 мм. Рафинирование компонентов, их смешение и гомогенизация шликерной массы происходят в водной суспензии, что создает необходимые условия для последующих технологических процессов — формования, сушки и обжига.

Измельчение и грубый помол глинистых проводят в дробильно-размольных машинах первичного дробления (вальцах  различных конструкций, дезинтеграторах, стругачах, бегунах); тонкий помол и  смешение компонентов — в шаровых мельницах. Продолжительность помола глинистых и отощающих различна, поэтому сначала загружают более твердые отощающие с небольшим количеством глинистых (до 7%), которые для предупреждения расслоения суспензии измельчают в течение 3—5 ч. Затем вводят остальное количество глинистых и продолжают измельчение еще 2—3 ч.

Для более эффективного измельчения компонентов шихты  рекомендуют использовать сильнодействующие  поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие ее реологические характеристики. Это могут быть эфиры моно-, ди- или триалкилфосфата. Их добавляют после подачи достаточного количества воды в ходе мокрого измельчения.

Совершенствование технологии керамической плитки с целью повышения  ее качества проводится на всех стадиях  процесса ее производства — выбора и расчета керамических масс, переработки сырья, подготовки шликера и его обезвоживания при получении порошка, прессовании, сушке, обжиге и декорировании изделий.

Для улучшения структуры  черепка в состав для получения  керамических плиток рекомендуют дополнительно вводить отходы фарфорового производства.

Предлагают в качестве отощающих компонентов использовать шамотную пыль, поскольку свойства керамической плитки с добавлением  шамотной пыли соответствуют регламентированным показателям. Качественную облицовочную плитку предлагается получать и с использованием отходов гравитационного обогащения угля. Здесь особенностью технологии является предварительный обжиг породы для выжигания углерода и активации глинистой составляющей. Себестоимость такой плитки на 40% ниже обычной. Облицовочная глазурованная плитка в этом случае имеет следующие характеристики: водопоглощение 12—17%, прочность на изгиб 12—14 МПа, средняя плотность 1,9 г/см³.

Для изготовления облицовочной плитки используют и твердые остатки шахтных вод; в этом случае плитки могут содержать оксид железа в количестве 7—20%.

Итальянская фирма «Велко»  и американская фирма «Вортек» для  производства напольной плитки «Экотайл»  предлагают в состав шихты вводить  до 70— 90% стекольного компонента в виде остеклованной золы. Остекловывание заключается в быстром и сильном нагреве (примерно до 1600—1650 °С) зольных отходов в виде частиц размером около 1 мкм. Золу и другие подобные материалы подают в камеру сжигания инжектированием, при этом органические материалы сгорают первыми; минеральные материалы нагревают в зависимости от их природы до температуры 1260—1550 °С и затем вводят в тигель для плавления.

Остеклованную золу рекомендуют  использовать для изготовления напольных  плиток. Полученные на остеклованной золе напольные плитки характеризуются высокой прочностью (до 70 МПа), водопоглощением 2—0,5% и эстетичностью. Модифицированный состав массы для напольных плиток можно использовать и для облицовочных плиток.

Получение порошка для прессования

Керамическую суспензию  обезвоживают, как правило, в башенных распылительных сушилках (БРС), что  дает возможность получить однородный порошок влажностью 6% ± 1% с гранулами  размером 0,24— 0,32 мм, сферическая форма  которых снижает пыле- образование  и зависание порошка в бункерах. Использование БРС для последующего прессования имеет неоспоримые преимущества по сравнению с другими способами подготовки порошка, а именно: однородность порошка по влажности, зерновому и химическому составам; повышенная реакционная способность порошка; высокий скоростной режим обезвоживания и технологичность.