Download pdf - CERAMIKA BUDOWLANA - technologia.gda.pl€¦ · Definicja Ceramika – z greckiego keramon (glina), obejmuje wyroby formowane i wypalane ze specjalnie przygotowanej mieszanki

CERAMIKA BUDOWLANACERAMIKA BUDOWLANA

dr inż. Anna Zielińska-JurekKatedra Technologii Chemicznejpok. 026 Ch.A., tel. 58 347 29 37e-mail: [email protected]

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

wyroby uformowane z glin naturalnych (lub ich odmian, jak łupek

gliniasty, less itp.) oraz ich mieszanin tzw. mas plastycznych, które

Materiały ceramiczne – trwałe termicznie materiały

nieorganiczno-niemetaliczne. W materiałach tych dominująpierwszorzędowe kowalencyjne i jonowe wiązania atomowe, któretworzą zazwyczaj sieć przestrzenną, co nadaje materiałom wysokietemperatury topnienia, dużą sztywność i twardość oraz odpornośćna agresywne środowisko.

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

Właściwości materiałów ceramicznych

Materiały ceramiczne charakteryzują się:

�Twardością

�Dużą odpornością cieplną

�Ogniotrwałością�Ogniotrwałością

�Wysoką temperaturą topnienia

�Dużym oporem elektrycznym

�Dużą odpornością mechaniczną

�Małą wytrzymałością na rozciąganie

�Kruchością

Rys historyczny

• Ceramika należy do najstarszych wyrobów produkowanych przezczłowieka

• Ceramikę znały i wykorzystywały cywilizacje Mezopotamii, Babilonuczy Egiptu.

• Początkowo wytwarzano z gliny cegłę surową, stosowaną dobudowy ścian po przesuszeniu, bez wypalania

• Cegły produkowano ręcznie, suszono na słońcu i wypalano w• Cegły produkowano ręcznie, suszono na słońcu i wypalano wprymitywnych piecach opalanych drewnem.

11 000 p.n.e.

Mezopotamia

Tabliczki

gliniane

4 000 p.n.e.

Babilon

Wynalezienie

cegły

2 000 p.n.e.

Egipt

Cegła zwykła

3 000 p.n.e.

Babilon

Kolorowa cegła

1 800 p.n.e. Babilon

Wyroby ceramiczne pokrywane

glazurą

500 p.n.e. Grecja

Dachówka

ceramiczna

100 p.n.e.

Europa zachodnia

Rzymianie

rozpowszechniają cegłę

w europie zachodniej

Świątynia Uruk, Mezopotamia, 1400 p.n.e. Wieża Babel, Babilon, ok. 690 p.n.e.Świątynia Uruk, Mezopotamia, 1400 p.n.e.

Rzymskie budownictwo z cegły

Wieża Babel, Babilon, ok. 690 p.n.e.

Miasto greckie

Rys historyczny

• Po upadku Imperium Rzymskiego (V w n.e.)osiągnięcia techniczne w zakresie produkcjiceramiki użytkowej i budowlanej przejęłoCesarstwo Bizantyjskie.

• W XI w. n.e. z mauretańskiej Hiszpaniiprodukcja cegieł rozpowszechniła się na całąEuropę. We Francji powstaje nowy styl wEuropę. We Francji powstaje nowy styl warchitekturze, zwany gotykiem, w którympodstawowym materiałem budowlanymstała się wypalana cegła.

• Od XII wieku centrami budownictwaceglanego były Lombardia, Francja i Niemcy.

• W średniowieczu wprowadzono doprzerobu gliny maszyny wykorzystującenergię wodną i pracę zwierząt

Rys historyczny

• XVIII wiek – przemysłowa produkcjaceramiki budowlanej związana z rewolucjątechnologiczną (wynalezienie maszynyparowej)

• Największy rozwój w zakresie produkcjicegieł przypada na II połowę XIX wieku.Związany jest z trzema zasadniczymiodkryciami technicznymi: z konstrukcjąZwiązany jest z trzema zasadniczymiodkryciami technicznymi: z konstrukcjąpieca kręgowego Hoffmanna w 1857roku; -z wprowadzeniem mechanicznej prasyceglarskiej przez Schlickeysena w latach1860-1870, a także z wprowadzeniemsztucznych suszarni Kellera pod koniec XIXwieku

• Kolejnym etapem było wprowadzenie piecytunelowych oraz całkowita automatyzacjaprocesu technologicznego

Piec Hoffmana

Historia ceramiki w Polsce

• Ceramika budowlana produkowana jestna ziemiach polskich już od 800 lat.

• Najstarsze budowle z cegieł, istniejącedo dnia dzisiejszego na terenie Polski,pochodzą z XII w. Są to obiekty sakralne Kościół w Kobaczu k/Szczecinapochodzą z XII w. Są to obiekty sakralneczęściowo wybudowane z cegieł,a częściowo z kamienia.

• Najstarszą budowlą w całości wykonanąz cegieł jest kościół w Kobaczu kołoSzczecina, którego budowę rozpoczętow 1210 roku.

Bazylika Mariacka w Gdańsku –największa na świecie

świątynia wykonana z cegieł

Kościół w Kobaczu k/Szczecina

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

Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych

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

Ze względu na zastosowanie, surowce plastyczne możemypodzielić na:

1. Kaoliny i gliny, wypalające się na biało lub kremowo są stosowanedo wyrobu porcelany, porcelitu i fajansu.

2. Gliny ogniotrwałe, stosowane do wyrobu materiałów


2. Gliny ogniotrwałe, stosowane do wyrobu materiałówogniotrwałych (odpornych na wysokie temperatury - np. elementykonstrukcyjne pieców)

3. Gliny kamionkowe, wypalają się na kolor czerwony, szary, kremowyi różowy. Stosuje się je do wyrobu naczyń kamionkowych, płytekpodłogowych i rur kanalizacyjnych.

4. Gliny klinkierowe i ceglarskie, wypalają się na kolor czerwony.Stosuje się je do produkcji klinkieru i wyrobów ceramiki budowlanejtakich jak cegły, dachówki i in.

• 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


• 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 wyrobyceramiczne, 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

Klasyfikacja wyrobów ceramicznych

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;

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;

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


odznaczają się wysoką ogniotrwałością, a temperatura topnienia przekracza

zwykle 1580°C;

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;

8. porcelit, otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ilaste,

kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione.

Ze względu na strukturę czerepu wyrobów i związanej z tym zdolnościwchłaniania 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 900-110°C

Rodzaje wyrobów ceramicznych

temperaturze 900-110°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 ielewacyjne),

– Wyroby ogniotrwałe (kształtki i cegły szamotowe, kształtki krzemionkowe

lub dolomitowe);

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 1100-1300°C.

• Wyroby klinkierowe: cegły budowlane, cegły kanalizacyjne, cegły

kominowe, płytki podłogowe terakotowe


kominowe, płytki podłogowe terakotowe

• Wyroby kamionkowe: płytki ścienne i posadzkowe, rury kanalizacyjne,

cegły kwasoodporne

Cegła klinkierowaWyroby kamionkowe

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


oraz wyroby porcelanowe (ceramika szlachetna) stosowane jako

przybory sanitarne, takie, jak: umywalki, zlewy i zlewozmywaki,

pisuary, bidety.


Podstawowe etapy procesu produkcji:

1. zestawienie surowców (plastyczny + schudzający + woda)

2. homogenizacja masy ceramicznej

Produkcja wyrobów ceramicznych

2. homogenizacja masy ceramicznej

3. formowanie surówki (ukształtowanie wyrobu)

4. suszenie surówki

5. wypalanie

Przygotowywanie surowców: rozdrabnianie, magazynowanie,

mielenie, klasyfikacja ziaren - przesiewanie

I Etap – przygotowanie surowców

Pozyskiwanie surowca w kopalni

Formowanie hałdy

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):

I Etap – zestawienie surowców

plastyczności masy ceramicznej (wg sposobu formowania):

� plastyczna: ok. 15-20% m.

� półsucha (prasowanie): < 15% m.

� sucha (prasowanie): ok. 8% m.

Ilość wody zależy ponadto od rodzaju stosowanego surowca

plastycznego (uziarnienie, powierzchnia).

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 – rozdrabnianie materiału

Homogenizacja masy ceramicznej

II Etap produkcji wyrobów ceramicznych

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.

W przecieraku sitowym nawilża się glinę i jeszcze raz homogenizuje.

II Etap - homogenizacja

Przecierak sitowy

III Etap – formowanie: nadawanie odpowiedniego kształtu.

Formowanie surówki – niskociśnieniowe


Formowanie surówki – wysokociśnieniowe

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.

III Etap – formowanie cegły

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.


Formowanie cegły

Formowanie pustaków

Suszenie surówki

IV Etap – suszenie surówki

• W suszarni tunelowej zestaw

wózków z surówką przesuwa się w

przeciwprądzie gorącego powietrza

• Szybkość dyfuzji wody z wnętrza

IV Etap – suszenie surówki

• 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

Orientacyjny przebieg wypalania ceramiki porowatej

V Etap – wypalanie

1. Dosuszanie

2. Podgrzewanie

3. Wypalanie właściwe3. Wypalanie właściwe

4. Studzenie


Piec kręgowy Hoffmana („wędrująca ogień”)


Piec tunelowy („wędrująca surówka”)

Zmiany objętości surówki i zarys zachodzących procesów


• Skurcz glin przy suszeniu to skurcz powietrzny, zachodzi w wynikuodparowywania wody.

• Wypalaniu towarzyszy natomiast skurcz ogniowy 1-2% wywołanyprzemianami fizykochemicznymi

• Temperatura wypalania – temperatura, w której związki mineralnegliny reagują ze sobą tworząc nowe związki sylimanit (Al2O3·SiO2)

Suszenie i wypalanie

gliny reagują ze sobą tworząc nowe związki sylimanit (Al2O3·SiO2)oraz mulit (3Al2O3·2SiO2).

• Jeśli wyrób osiągający stan największej porowatości ogrzewa się dalejdo 1200-1300°C, to powstające plynne związki zalewają pory izwiększają zwartość struktury. Proces ten nosi nazwę spiekania lubklinkieryzacji, a temperatura, w której zachodzi ten procestemperaturą spiekania

• Temperatura topnienia – temperatura, w której następujemięknienie i topnienie wyrobu prowadzące do deformacji kształtu ijego rozpłynięcia

• 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:

Suszenie i wypalanie

• 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

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

Domieszki i zanieczyszczenia występującew glinach

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

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.

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.

Domieszki i zanieczyszczenia występującew glinach

3. Siarczki – piryt – z uwagi na zawartość siarki stanowią źródło

powstawania soli szkodliwych, rozpuszczalnych w wodzie

Różnice w produkcji i właściwościach ceramikiporowatej i spieczonej

Co to jest skurcz i w jaki sposób możemy

ograniczać niekorzystny wpływ tego zjawiska

na gotowy wyrób ceramiczny?

KARTKÓWKA