Глина, свойства, виды и разновидности, происхождение, добыча и применение.
Глина представляет собой осадочную горную породу с мелкозернистой структурой и сложным составом. Пластичность, вязкость, огнеупорность и другие свойства глины определяются тем, какое породообразующее вещество является основным.
Глина
Характеристики и свойства глины. «Жирная» и «тощая» глины. Цвет. Водоупорность. Пластичность. Огнеупорность. Спекаемость
Виды и разновидности глины
Происхождение глины
Добыча глины. Методы разработки карьеров
Применение и использование глины. Преимущества
Глина:
Глина представляет собой осадочную горную породу с мелкозернистой структурой и сложным составом. Пластичность, вязкость, огнеупорность и другие свойства глины определяются тем, какое породообразующее вещество является основным.
Это могут быть такие глинистые материалы, как каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O), андалузит, дистен и силлиманит (Al2O3·SiO2), монтмориллонит (MgO·Al2O3·3SiO2·1,5H2O), галлуазит (Al2O3·SiO2·H2O), гидраргиллит (Al2O3·3H2O), диаспор (Al2O3·H2O), корунд (Al2O3), монотермит (0,2[K2MgCa]O·Al2O3·2SiO2·1,5H2O), мусковит (K2O·Al2O3·6SiO2·2H2O), накрит (Al2O3·SiO2·2H2O) и пирофиллит (Al2O3·4SiO2·H2O).
Например, монтмориллонит, который относится к слоистым силикатам, обладает сорбционными свойствами и имеет ярко выраженную способность к сильному набуханию.
Различные виды глины могут содержать в разном соотношении частицы каолинита, андалузита, мусковита, гидраргиллита, накрита, корунда, пирофиллита и прочих составляющих минералов.
Среди примесей наиболее часто встречаются частицы кварца, гипса, кальция, доломита, пирита, сидерита, магнетита, глауконита.
Характеристики и свойства глины:
Характеристики глинистых материалов зависят от их состава, размера гранул, влажности материала, места добычи. При оценке свойств глины применяется целый комплекс характеристик – от плотности и растворимости в воде до пористости и теплопроводности.
Основные свойства глины:
– при попадании в воду она размокает и распадается на отдельные частицы, образуя взвесь или образует массу, похожую на тесто;
– в сухом состоянии она имеет структуру пыли, во влажном – приобретает мягкость, пластичность, легко принимает любую форму;
– после высыхания или обжига она становится крепкой и прочной. Высыхая, она немного уменьшается в объеме из-за естественной усадки;
– во увлажненном состоянии она обладает хорошими связующими способностями. Благодаря этим качествам ее применяют в изготовлении кирпича, некоторых видов посуды;
– глина во влажном состоянии имеет хорошие кроющие качества, поэтому раньше она часто применялась для обмазки дровяных печей, стен домов и хозяйственных построек;
– этот материал способен поглощать вещества, растворенные в жидкостях. Сорбционные свойства позволяют использовать ее для фильтрации и очистки от посторонних примесей растительных жиров, нефтепродуктов.
Технологии обработки глины, изменение ее состава или «жирности» позволяют получать сырье с заданными свойствами – нужного оттенка, с большей огнеупорностью, меньшей усадкой и пр.
Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой. Для их понимания необходимо рассмотреть систему «глина – вода».
Вода является однородной средой, а молекулы воды – электрически нейтральны. Но вода, окружающая зерно глинистой частицы, имеет иные свойства, так как ее молекулы приобретают дипольное строение, а концы ее – заряд.
Так как зерна глинистых минералов заряжены всегда отрицательно из-за замещения катионов в кристаллической решетке либо наличия оборванных некомпенсированных связей на ее концах, вода ориентируется к глинистым частицам положительно заряженными диполями. Мономолекулярный слой воды 2 образует прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами: меньше разжижаемость и температура замерзания, выше плотность. Эта вода образует с глиной единое целое – мицеллу. По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля и интенсивность притяжения молекул воды убывает. Молекулы воды, находящиеся под воздействием более слабого поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют диффузный слой 4, в котором вода является рыхлосвязанной. Зерно глинистого минерала окружено несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с силой, убывающей от ее поверхности к периферии. Эта схема справедлива для чистой воды без примесей. В реальных условиях вода в глине всегда имеет соли, молекулы которых диссоциируют на ионы. Катионы этих солей, являясь носителями положительных зарядов, окружены «собственной» водной оболочкой и вместе с ней находятся в диффузном слое либо адсорбируются на поверхности зерна глинообразующего минерала, создавая так называемый сорбированный комплекс. Таким строением водной оболочки объясняются многие свойства глин, включая водные: влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропия.
Влагоемкость – это способность глины поглощать и удерживать воду силами молекулярного притяжения, осмотическим всасыванием и капиллярными силами. Последние невелики по сравнению с молекулярными силами, поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группы свободной воды. Влагоемкость глины зависит от ее дисперсности и минералогического состава: с повышением дисперсности и удельной поверхности она возрастает. Глины монтмориллонитовые имеют большую влагоемкость, чем каолинитовые.
Набухание – это способность глины увеличивать объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее контакте с водой. Количественно степень набухания по ГОСТ 3594.12-92 измеряется приростом объема поглощенной влаги по отношению к массе глины. Частица глинистого вещества представляет собой агрегат из слипшихся первичных зерен глинистых минералов, часто сцементированных природными цементами катионного типа. Набухание глин происходит вследствие того, что поляризованные молекулы воды вклиниваются между отдельными агрегатами глины и, адсорбируясь на их поверхности, раздвигают их, создавая вокруг водную оболочку, проникают в пространство между отдельными слоями решетки, образуя межслоевую воду. Степень набухания зависит от дисперсности и минералогического состава глин. Наибольшую набухаемость дают дисперсные монтмориллонитовые глины, наименьшую – каолинитовые. Структура пакета кристаллической решетки каолинита такова, что один его конец представлен ионом Н+, а второй – ОН-. Поэтому концы двух пакетов прочно связаны между собой противоположно заряженными ионами, и раздвинуть такую решетку молекулы воды не могут, они лишь адсорбируются на ее поверхности. У монтмориллонита строение кристаллической решетки симметричное: заряды кислорода на концах пакетов смыкаются, создавая непрочную связь. Поэтому молекулы воды легко вклиниваются в межпакетное пространство решетки, раздвигая ее. Запесоченность глин понижает набухание. При этом происходит контракция: объем набухшей глины меньше суммы объемов глины и воды, за счет сжатия глины и повышения плотности. Процесс во времени затухает. Рыхлые глины набухают быстрее, чем плотные.
Размокание – это распад в воде агрегированных глинистых частиц на более мелкие частицы или элементарные зерна с образованием полидисперсной системы. Природа прочности глин объясняется несколькими факторами. Одним из них являются силы вторичных валентностей (ван-дер-ваальсовы силы), т. е. силы межмолекулярного притяжения. Они возникают вследствие поляризации молекул и дисперсионного взаимодействия, при котором движение электронов в молекулах приводит к появлению мгновенных диполей и взаимному притяжению. Первой стадией диспергирования глин является набухание, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами агрегата, расклинивают их. По мере возрастания толщины водной оболочки она все больше экранирует действие сил сцепления, ослабляя связь между отдельными зернами. При достаточно толстых водных оболочках внешние их слои связаны не силами межмолекулярного притяжения, а капиллярным давлением внутри относительно крупных пор, если они не целиком заполнены водой. В этом случае силы капиллярного давления стягивают отдельные зерна частицы, мешая им окончательно разъединиться. Когда же поры заполняются водой, мениски исчезают, и прекращается действие сил капиллярного давления. После этого зерна легко перемещаются в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии, что и означает полное размокание глины. Процесс размокания начинается с поверхности глиняного куска. Набухшие его наружные слои, испытывая напряжения скалывания, постепенно отделяются, обнажая новые поверхности для взаимодействия с водой. Однако в плотных глинах отделения таких слоев почти не происходит, а гидратация их затрудняет доступ воды во внутренние слои куска. Поэтому плотные глины размокают трудно. Перемешивание глины ускоряет процесс за счет механического разрушения частиц и обнажения новых поверхностей для размокания. Подогрев воды также ускоряет размокание, из-за уменьшения ее вязкости при нагреве. Она легче впитывается. Интенсивность размокания имеет значение для однородности пластичного теста и шликеров.
Тиксотропное упрочнение – это способность влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться при неизменной влажности.
В начальный момент времени t0 глиняная масса имеет прочность R0сд. С течением времени ее прочность возрастает, достигая ко времени t1 величины R’сд. В этот момент структуру принудительно разрушают (например, разбалтывают шликер), и ее прочность падает до начальной. После этого она вновь к моменту t2 восстанавливается до Rсд’. После вторичного разрушения при отстаивании она вновь восстанавливает прочность и т. д. Самоупрочнение глины происходит из-за ориентации частиц глины и воды разноименными зарядами, что увеличивает силу их сцепления. При этом происходит процесс перехода части воды из свободных форм в связанные за счет более глубокой гидратации глинистых зерен. Интенсивность и величина тиксотропного упрочнения зависит от времени выдержки. Сопротивление сдвигу глиняного теста возрастает через 1 сутки после переработки в 2,4 раза, через 3,5 – в 2,6, через 22 -– в 3,1, через 120 – в 5,4, через 240 суток – в 7,9 раза. Тиксотропия снижает литейные свойства шликеров.
Механические свойства глин проявляются при воздействии на них внешних усилий. Главнейшим из них является пластичность. Пластичность – это способность глины под действием внешних сил принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять ее после прекращения действия усилий. Пластичность является одним из состояний глин, которое отлично от хрупкого и вязко-текучего. Хрупкое состояние характеризуется тем, что образец при разрыве разрушается без изменения поперечного сечения и после этого система не восстанавливается. При вязко-текучем состоянии смесь растекается под действием собственной массы. Пластичное состояние является промежуточным между хрупким и вязко-текучим. В абсолютно сухом состоянии образец из глины имеет довольно высокую прочность и разрушается хрупко. При небольшом увеличении влажности прочность образца сначала резко падает, вследствие адсорбционного расклинивания поглощенной влагой, но хрупкое состояние сохраняется. По данным П.А. Ребиндера, один мономолекулярный слой адсорбированной воды понижает прочность глины в 1000 раз. Дальнейшее увеличение влажности приводит к замедленному падению прочности. Если водные оболочки достаточно велики, чтобы обеспечить скольжение частиц в отношении друг друга при воздействии на них внешних усилий, достигается пластическое состояние. При этом вода силами поверхностного натяжения стягивает глинистые частицы, не давая им возможности расползаться, и обеспечивает значительную сдвиговую подвижность глиняных частиц, давая им возможность скольжения. Дальнейшее увеличение влажности глины приводит к такому возрастанию толщины водных оболочек, что они полностью экранируют действие сил межмолекулярного притяжения и исключают действие капиллярного давления. В связи с этим прочность системы падает настолько, что она не может выдерживать действие собственной массы и приобретает вязко-текучее состояние. По ГОСТ 21216.1-93 мерой пластичности является число пластичности П, % , вычисляемое по формуле:
П = wт – wр ,% (2.8)
где wт и wр – влажность при пределе текучести и при пределе раскатывания.
Влажность предела раскатывания (wр) является границей между хрупким и пластическим состоянием системы, а влажность предела текучести (wт) отсекает область пластического состояния от вязко-текучего. Физический смысл показателя пластичности увязывается с механизмом сущности пластического состояния: он определяет интервал влажностей, в котором глина сохраняет пластическое состояние. По числу пластичности ГОСТ делит глины на пять групп: высокопластичные (П > 25), среднепластичные (П = 15…25), умереннопластичные (П = 7…15), малопластичные- (П < 7) и непластичные, не дающие пластичного теста. Пластичность глин зависит от их гранулометрического и минералогического состава: с повышением дисперсности пластичность возрастает. Наиболее пластичны монтмориллонитовые глины, наименее пластичны каолинитовые. Запесоченность глин понижает их пластичность. Формовочная влажность, или водопотребность, – также важный показатель водных свойств глин. Она достигается, когда глина формуется воздействием руки человека и не прилипает к рукам и к металлу. Среднее усилие нажатия человеческой руки соответствует примерно 0,2 МПа, а предельное напряжение сдвига составляет при формовочной влажности, около 0,06 МПа. Формовочная влажность зависит от состава глины: с повышением запесоченности она снижается, а с повышением дисперсности – возрастает, у монтмориллонитовых глин она выше, чем у каолинитовых.
Связь между формовочной влажностью wф и содержанием глинистого вещества Агл, мас. % выражается зависимостью:
w ф = К Агл, (2)
где К — опытный коэффициент, имеющий следующие значения:
Aгл ,% 6-7 8-10 10-12 20-30 30-40 40-50 50-60
К 3,2 2,2 1,5 1,0 0,8 0,6 0,5
Глину надо формовать при влажности, обеспечивающей наибольшую пластичность. Растяжимость глин представляет собой предельное относительное удлинение, при котором наступает разрыв образца. Величина растяжимости определяет трещиностойкость керамических изделий при сушке. Сушильные свойства глин отражают изменения, которые происходят в глиняной массе при ее сушке. К ним относятся: воздушная усадка, чувствительность к сушке и влагопроводность. Воздушная усадка представляет собой уменьшение размеров глиняного образца при сушке и является одним из важных сушильных свойств глины. Усадочные деформации в глине при сушке обусловлены силами капиллярного давления, и усадка происходит вследствие нарушения силового равновесия в капилляре.
Мерой усадочных явлений в сушке является величина относительной усадки:
Lот = (l0 – l1)/ l0, (3)
где Lот – относительная усадка, %, l0 и l1 – начальная и конечная длина образца. Относительная воздушная усадка в зависимости от пластичности глины находится в пределах 2…8%. Запесоченность глин понижает воздушную усадку. Монтмориллонитовые глины дают наибольшую усадку, каолинитовые – минимальную. Кроме состава и свойств глин на величину усадки влияет и режим сушки: при медленной сушке (например, естественной) усадка больше, чем при жестком режиме искусственной сушки. Для одной и той же глины величина воздушной усадки зависит от начальной влажности образца. При одной и той же величине l1 образец может иметь различную длину lк.у. в зависимости от его начальной влажности w0 (рис. 6), а это, как видно из (3), будет менять и величину усадки. Поэтому величина воздушной усадки в отрыве от влажности образца не является физической константой, характеризующей усадочные явления данной глины. Зависимость длины образца от его влажности в интервале усадки, как видно из рис. 6 описывается прямой линией. Ее наклон зависит не от начальной влажности, а только от зернового состава данной глины. Поэтому его можно использовать как показатель, характеризующий усадочные свойства.
Угловой коэффициент этой прямой назван коэффициентом усадки Kус, который может рассматриваться как физическая константа, характеризует усадочные свойства данной глины. Kус вычисляют по формуле:
Кус = tg α = (l0–lк.у.) / (w0–wк.у.) (4)
где lк.у. и wк.у. – соответственно длина и влажность образца в конце усадки.
Влагопроводность глин отражает интенсивность перемещения влаги внутри глиняной массы. Количественным показателем, характеризующим это свойство, является коэффициент потенциала переноса влаги а’, называемый в теории сушки коэффициентом потенциалопроводности. Для разных глин он колеблется в пределах (0,66…2,14)х·10 м2/ч.
Существует тесная связь между влагопроводностью глины и ее составом. Она возрастает с уменьшением содержания глинистой фракции, так как только они связывают своим силовым полем воду, ограничивая свободу ее перемещения. У монтмориллонитовых глин влагопроводность в 10…15 раз меньше, чем у каолинитовых, так как монтмориллонит наиболее прочно связывает воду в силу особенностей его строения. Влагопроводность зависит от температуры глиняной массы, увеличиваясь пропорционально четырнадцатой степени абсолютной температуры, и от начальной влажности глины, возрастая с ее увеличением. Это объясняется уменьшением интенсивности связи влаги с материалом по мере возрастания толщины гидратных оболочек.
Чувствительность глин к сушке характеризует их трещиностойкость в этом процессе. Причиной возникновения трещин является неодинаковая величина усадки по сечению изделия, поэтому в нем возникают напряжения. Когда их величина превысит предел прочности сырца, образуются трещины. Показателем трещиностойкости в сушке глин принят коэффициент чувствительности глин к сушке Кч
(5)
где V0 и G0 – соответственно объем и масса влажного образца после формования; V, G – то же для образца, высушенного до постоянной массы.
По физическому смыслу этот показатель выражает отношение между объемом усадки и объемом пор в образце. По величине Кч глины бывают трех классов: малочувствительные (Кч < 1), cреднечувствительные (Кч = 1…1,5) и высокочувствительные (Кч > 1,5).
Увеличение прочности глин способствует повышению трещиностойкости. Прочность глины возрастает с увеличением содержания в ней глинистой фракции. Поэтому добавка высокопластичной глины к тощей часто способствует снижению брака изделий в сушке. Монтмориллонитовые глины дают прочность сырца выше, чем каолинитовые. Однако тесной связи между прочностью глин и их трещиностойкостью в сушке не отмечается, а между растяжимостью и трещиностойкостью такая связь существует. С повышением коэффициента усадки трещиностойкость глин понижается, а с повышением влагопроводности – возрастает. Этим объясняется меньшая чувствительность запесоченных глин по сравнению с «жирными» с высоким содержанием глинистой фракции. Но наличие в глине тонкодисперсного песка (шлюфа), который сильно отощает глину, уменьшая усадку, снижает прочность и растяжимость, не повышая влагопроводность глины, так как поры в керамике мелкие с большими гидродинамическими сопротивлениями. Поэтому такие глины, имея низкий Кч, являются нетрещиностойкими, высокочувствительными к сушке. Таким образом, на трещиностойкость керамики в сушке оказывают совместное влияние прочность, растяжимость, усадка и влагопроводность глины.
Термические (обжиговые) свойства глин проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.
Огнеупорность – это свойство керамики материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Показателем огнеупорности является температура, при которой образец из материала, имеющий форму трехгранной усеченной пирамиды (условно именуемый «конусом»), деформируется от собственной тяжести и касается вершиной керамической подставки. Под огнеупорностью глины понимают условную температуру ее плавления. Условной эта температура является потому, что глинистая порода полидисперсна и не имеет строго определенной температуры плавления, а плавится в некотором интервале температур. Поэтому за температуру плавления глины принимают ее огнеупорность. По ГОСТ 9169 глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные – огнеупорность выше 1580°С, тугоплавкие 1350…1580°С и легкоплавкие – ниже 1350°С. Огнеупорность глины зависит от ее химического состава: глинозем (Al2O3) повышает огнеупорность глины, кремнезем (SiO2) тонкодисперсный понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность. Примеси щелочных металлов (R2O) являются наиболее сильными плавнями (флюсами) — веществами, понижающими температуру плавления глины. Оксиды щелочноземельных металлов (RO) также являются плавнями, но при более высокой температуре, чем щелочные. Огнеупорность керамики, содержащей оксиды железа, зависит от вида газовой среды в обжиге: восстановительная среда понижает огнеупорность, так как Fe2O3 восстанавливается в FeO, с большой реакционной способностью. Он образует с SiO2 фаялит (2FеО SiО2), имеющий температуру плавления 1205°С и играющий роль плавня.
Спекаемость является вторым важным термическим свойством глин. Под спекаемостью понимают способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камневидного тела. Спекание глин происходит за счет стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой – силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины (жидкостное спекание) вследствие рекристаллизации минералов, входящих в состав керамики, и за счет реакций в твердой фазе между компонентами глины и продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом спекания является уплотнение обжигаемого материала и уменьшение открытой пористости. Поэтому степень спекания контролируется по водопоглощению керамики. Спекшейся считается керамика, имеющая водопоглощение не более 5%. Поэтому спекаемость глин определяют как способность давать камень без признаков пережога с водопоглощением менее 5%. Признаки пережога: деформации и вспучивание с повышением пористости. По ГОСТ 9169 глины по степени спекания классифицируются на три группы:
Группа глинистого сырья Водопоглощение керамики в %
Сильноспекающиеся Не более 2
Среднеспекающиеся Не более 5
Неспекающиеся Более 5
Указанные значения водопоглощения должны быть не менее чем в двух температурных точках с интервалом 50°С. Смысл этого условия иллюстрируется рис. 7, где представлены зависимости водопоглощения керамики от температуры обжига для трех видов глин. Эти глины имеют одинаковую предельную температуру обжига tобпр , превышение которой дает признаки пережога. При температуре t1, которая на 50° ниже tобпр, глина 1 дает керамику с водопоглощением 2%. В интервале tобпр – t1 = 50°С керамика из нее имеет водопоглощение ниже 2% и не обнаруживает признаков пережога. Она является сильноспекающейся. Глина 2 в этом же интервале температур имеет водопоглощение более 2%, но меньше 5%, что определяет ее как среднеспекающуюся. А глина 3 в том же интервале имеет водопоглощение более 5% и является неспекающейся.
Спекаемость является важнейшим признаком, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий: канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий. Она характеризуется температурным интервалом, под которым понимают для легкоплавких глин:
Δtсп = tw=1% — tw=5%
а для огнеупорных глин:
Δtсп = tor — tw=2%
где tw=1% tw=5% tw=2% – температуры, при которых керамика приобретает водопоглощение соответственно 5, 2 и 1%.
Al2O3 увеличивает интервал спекания глин, СаО резко понижает, а щелочные К2О и Na2O расширяют его. У каолинитовых глин интервал спекания обычно больше, чем у монтмориллонитовых. Запесоченность глин резко снижает интервал спекания. Наименьший интервал спекания (50…100°С) у легкоплавких глин, лёссовые глины почти его не имеют, наибольшее его значение (до 400°С) у огнеупорных глин. Интервал спекания определяет возможность обжига изделий в печах c перепадом температур между верхом и низом печи.
Если печь имеет температурный перепад между верхом и низом 80°С, а интервал спекания глины 30°С, то нижние ряды садки будут иметь недожог, а верхние ряды – пережог, качество обжига будет низким. Поэтому надо либо увеличить интервал спекания керамической массы введением плавней, расширяющих интервал, либо повысить равномерность обжига конструктивными приемами, в крайнем случае, снижением высоты печи. Для некоторых видов керамики низкое водопоглощение не обязательно или даже недопустимо. В этих случаях температурные границы, в пределах которых можно вести обжиг, определяет не интервал спекания, а интервал обжига. Под интервалом обжига понимают температурные границы, в которых изделие при обжиге приобретает свойства, регламентированные действующими ГОСТами и ТУ. Например, для строительного кирпича минимальная температура обжига будет ограничена достижением прочности, соответствующей марке 75 (минимальная по ГОСТ 530-95), а максимальная – водопоглощением керамики, равным 8%. Интервал температур, в пределах которого соблюдаются эти величины, и будет интервалом обжига. По величине он намного больше интервала спекания. Этим объясняется то, что глины с малым интервалом спекания оказываются пригодными для обжига кирпича в печах со значительными перепадами температур.
Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под действием сил поверхностного натяжения силикатного расплава. Механизм стягивающего действия этих сил схематически изображен на рис. 8. Как только между двумя твердыми частицами 1 окажется капля жидкого расплава 2 с вогнутыми менисками, она под влиянием сил поверхностного натяжения будет растекаться по поверхности твердых частиц. Равнодействующая этих сил образует силу капиллярного давления Рк, которая будет растягивать каплю жидкости, сближая твердые частицы.
Усадку при обжиге характеризуют величиной огневой усадки У%:
где l1 и l2 – линейные размеры, см сухого и обожженного образцов.
Огневая усадка глин колеблется в пределах от 2 до 8% и достигает в отдельных случаях 14%. С увеличением содержания глинистой фракции усадка возрастает. Сильно запесоченные глины могут совсем не давать усадки и даже обнаруживать в обжиге «рост» за счет вспучивания (усадка в этом случае получает отрицательный знак). Монтмориллонитовые глины имеют большую огневую усадку, чем каолинитовые. Щелочные оксиды всегда повышают огневую усадку, а железистые – лишь при обжиге в восстановительной среде. С повышением температуры обжига усадка обычно возрастает. Поэтому неравномерно обожженные изделия могут иметь заметный разброс в размерах.
Каолины
Каолинами называют мономинеральные горные породы, глинистая фракция которых представлена только каолинитом. Каолины менее пластичны, чем глины, и дают повышенную белизну обожженной керамики. Каолин содержит примеси не выветрившихся обломков горной породы, из которой он образовался. Значительную часть этих примесей можно удалить отмучиванием. По характеру примесей имеются следующие виды каолинов:
— чистый, содержащий не более 6% кварца и не более 2% щелочей;
— щелочной, содержащий до 5…7% примесей К2О и Na2O;
— кремнеземистый, включающий до 2% тонкого кварцевого песка;
— щелочно-кремнеземистый, со значительным количеством SiO2, RO2+RO;
— железистый, включающий более 2% Fe2O3, окрашивающего каолин в желтый цвет, что недопустимо в производстве фарфора и фаянса. Поэтому такой каолин, как правило, обогащают на месте добычи мокрым способом.
Действующими ГОСТами на каолины для производства тонкой керамики нормируется предельное содержание химических и механических примесей и влажность. Кроме того, для каолинов определяют еще два показателя, характеризующие их рабочие свойства, – «упругость» и «порог коагуляции». Под упругостью каолиновой суспензии понимают разницу между ее плотностью по ареометру и плотностью той же суспензии в пределах 1,35…1,37 г/см3, определяемой пикнометром (взвешиванием).
По показателю упругости различают три группы каолинов:
Группа каолина
| Показатель упругости | |
| I II III | 0,1…0,05 0,05…0,4 0,4 и более |
Порогом коагуляции считают такое состояние суспензии каолина, при котором исчезают структурообразования, препятствующие погружению ареометра до метки, отвечающей пикнометрической плотности, из-за чего показатель упругости падает до нуля. Каолин из-за дороговизны, меньшей пластичности и дефицитности в производстве строительной керамики применяется в меньших объемах, чем глины.
«Жирная» и «тощая» глины:
Изменение пропорций основных компонентов и примесей делают глину «тощей» или «жирной». От этого свойства зависит пластичность материала, качество конечного продукта.
Изделия из слишком «жирной» глины портятся на этапе сушки или обжига – покрываются трещинами или коробятся. Применение отощающих добавок позволяет уменьшить усадку материала при естественной сушке или термической обработке. В качестве такой добавки чаще всего применяется песок: мелкий, средней дисперсности или крупный. Его тщательно промывают, чтобы избавиться от пыли, поскольку она снижает вязкость глиняной массы.
«Тощая» глина имеет низкую пластичность и малопригодна для лепки или формования. Для повышения пластических свойств применяется технология отмучивания. Это обогащение материала путем отделения частиц глины от примесей. После разведения исходного сырья водой медленно оседающие глиняные частицы отфильтровывают от более тяжелого песка, камней.
Варианты обжига
Лучшим вариантом станет использование специальной муфельной печи, но этот предмет довольно дорогой для новичка.
Неплохой заменой может стать русская печь или обычный костер, куда изделие помещается в жестяной таре. Вторым вариантом использования огня станет его разведение над фигуркой. В этом случае процесс превращения в керамику займет около 10 часов, а огонь придется поддерживать непрерывно.
Плитка и микроволновка не подойдут для такого творчества, так что если желания покупать специальную печь не появилось, а русской печки нет и вовсе, то можно просто приобрести материал, не требующий заключительного обжига.
Цвет глины:
Окраска породы может быть желтой, коричневой, синей, зеленоватой, черной. Цвет зависит от концентрации хромофоров – ненасыщенных атомов. Соединения кобальта придают материалу голубой оттенок, хром делает ее оливковой, примеси магния и никеля — коричневого и серого. После обжига изделия из глины становятся красного или белого цвета.
Состав глиняного раствора для кладки печей
Если глина среднежирная, раствор замешивают в пропорции 1х1
Соотношение глины и речного песка для кладки печи целиком зависит от жирности первого компонента. Если глина среднежирная, для кладки 100 кирпичей потребуется смесь, включающая 2 ведра глины, 2 ведра песка и воды столько, чтобы готовый раствор имел сметанообразную консистенцию.
Указанный состав приблизителен. На деле его готовят, поочередно добавляя тот или иной компонент, пока не получают желаемое.
Чтобы улучшить характеристики состава, к нему прибавляют поваренную соль и жаростойкий клей.
Огнеупорность глины:
По способности выдерживать воздействие высоких температур без потери прочности глинистые материалы бывают:
– легкоплавкими. Их обработка выполняется при температуре +1350 °C. Они применяются в производстве облицовочного кирпича, черепицы, декоративных элементов кладки стен;
– тугоплавкими. Минимальное количество примесей в составе делает возможной обработку при более высокой температуре — до +1580 °C. Их используют в производстве облицовочных строительных материалов, канализационных труб;
– огнеупорными. Материалы этой группы практически не содержат примесей в своем составе, поэтому для их плавки нужна температура выше +1580 °C. В основном их используют в производстве шамотного кирпича для облицовки печей, кладки каминов, дымоходов.
Облицовка
株式会社エコシステム
株式会社エコシステム
Облицовка наружных стен при помощи глины – дело не простое: глина хорошо впитывает и отдает воду при намокании и нагревании, что в результате приводит к образованию трещин. Это требует применения специальных технологий при обработке готового покрытия и производстве облицовочных материалов. В таком качестве глина может быть использована в виде керамической наружной плитки и штукатурных смесей
Стены, сложенные из самана, так же не слишком влагостойки, поэтому нуждаются в дополнительном оштукатуривании. С этой целью традиционно используется известь, компенсирующая естественный недостаток глиняных блоков и сообщающая особое очарование постройке.
Спекаемость глины:
Это свойство определяется как способность пластичного материала при высокотемпературном обжиге переходить в твердое, камневидное состояние. Глина после обжига не должна размокать в воде. Это свойство приобретается из-за необратимых изменений структуры материала, а именно — удаления физически связанной воды, разложения глинистого материала на оксид кремния и оксид алюминия. При температуре от +1000 °C до +1200 °C образуются новые водостойкие минеральные соединения. Расплав легкоплавких составляющих при охлаждении затвердевает, делая массу твердой и прочной.
Замачивание
Сухую расфасованную глину, приобретенную в магазине, следует размочить. Для работы нужна широкая емкость (корыто), бак либо другой сосуд:
- Емкость наполняют глиной на 80%.
- Емкость до бортиков наполняют чистой водой, чтобы она полностью покрывала материал.
- Через сутки раствор перемешивают. Если воды недостаточно, ее снова доливают и оставляют глину намокать еще на сутки.
- Вымоченный материал перекладывают в другую емкость.
Глину, добытую в карьере самостоятельно, замачивают таким же способом. Если материал влажный, его тоже замачивают, так как он обычно не содержит достаточного количества воды.
Виды и разновидности глины:
В промышленности, строительстве, косметологии применяются глины разные по составу, характеристикам, цвету. Разделение материалов на виды определяется сочетанием таких свойств, как пластичность, спекаемость, огнеупорность, количество примесей. Самыми распространенными являются:
– каолиновая (белая) глина. Белую глину применяют в производстве фарфора и фаянса;
– голубая глина. Востребована в косметологии и медицине;
– бентонитовая глина. При изготовлении водного раствора она увеличивается в объеме в несколько раз. Это свойство делает ее незаменимой в строительстве свайных фундаментов, бурении скважин;
– шамотная глина. Используется в производстве огнеупорного кирпича;
– сланцевая глина. Глинистый сланец идет на изготовление цемента;
– гончарная (комовая) глина. Комовая глина идет на изготовление гончарных изделий;
– монтмориллонитовая (сукновальная) глина. Ее применяют для очистки таких продуктов, как патока, пиво, вино, сиропы, соки, масла, нефтепродукты, а также применяют как улучшающую добавку при изготовлении мыла.
Происхождение глины:
Глина — это продукт природного происхождения, образованный из полевого шпата и магматических скальных пород, который в сухом состоянии имеет мелкодисперсную структуру. По происхождению эти породы бывают континентальными, образованными на материке, и морскими — образованными на дне морей.
В результате сдвигов земных пластов, землетрясений, наводнений происходило измельчение гранитов, вулканического стекла, туфов, порфиритов. На физическое изменение и разрушение горных пород оказывала влияние кристаллизация солей, замерзание воды, жизнедеятельность микроорганизмов.
Образование пластов морской глины происходило при наносе глинистых веществ водными течениями, их скоплении и оседании. Глины морской группы бывают:
– прибрежно-морскими. Их место образования это береговые регионы, дельты рек и заливов. Часто глинистые пласты чередуются с угольными, песчаными, алевритовыми;
– лагунными. Глины, образованные в морских лагунах, содержат в высокой концентрации сульфиды, кальциты, железо. Среди лагунных наносных пород часто встречаются огнеупорные виды;
– шельфовыми. Породы, которые были образованы на глубине более 200 м, имеют более плотную структуру и однородный состав.
Континентальные глины также делятся по месту происхождения. Они бывают:
– делювиальными. Характерная черта — смешанный состав, его неоднородность даже в одном временном пласте;
– озерными. Самые лучшие огнеупорные глины образованы именно на дне и берегах озер. В их составе содержатся все компоненты, необходимые для изготовления шамотных материалов;
– пролювиальными. Они образованы путем разрушения скальных пород, смываемых и выносимых по эрозионным бороздам к подножиям гор. Их характерная черта — слоистость, рыхлость, неоднородный состав;
– речными. Их можно встретить в поймах рек, они содержат большое количество примесей в составе и чаще всего переходят в галечники.
Еще выделяют остаточные породы с невысокой пластичностью, образованные в результате выветривания горных пород.
Добыча глины. Методы разработки карьеров:
В нашей стране добыча глины ведется на Урале, в Восточной и Западной Сибири. Часто на одном месторождении ведется выработка нескольких типов глины. По сложности добычи карьеры бывают 3 групп:
– первая группа. Разработка верхних слоев почвы с растительными остатками, ведутся работы по выемке суглинка;
– вторая группа. Это уплотненная порода, насыщенная влагой, а также залежи комковатых пород, с примесями гравия;
– третья группа. Ведется разработка затвердевших сланцевых пластов, промерзшего глинистого грунта.
Методы разработки карьеров зависят от объема и глубины залежей, их расположения. Самым распространенным способом добычи глиносодержащих пород является выемка полезных ископаемых при помощи спецтехники – зубофрезерных экскаваторов. Подрыв скальных пород применяется при глубинной разработке больших залежей. Каолиновую белую и голубую глину добывают с применением устройств, создающих плотную водяную струю. Чаще всего гидромониторы применяют при большой влажности слоя.
Добыча материалов для предприятий по изготовлению керамики ведется зубофрезерными экскаваторами путем срезания слоев разной толщины. Перед началом разработки проводится подготовка:
– прокладка подъездных путей;
– очистка карьерного горизонта;
– доставка оборудования.
Разработанный грунт и песок вывозят из карьера и высыпают в отвал, а глину перевозят к месту назначения. Если в одном месторождении найдено несколько разновидностей глин, разработка пластов ведется по отдельности. Эта технология носит название «Селективная выработка». Она более эффективна, чем валовая добыча, в процессе которой одновременно срезаются все слои.
Сколько времени требуется для просушки отопительных сооружений
Кладка с глиной застывает очень долго, кирпич втягивает влагу и практически не отдает ее. Поэтому сушка печки проходит в 2 этапа.
Естественная сушка занимает не менее пяти—семи дней. В это время в печи должна быть открыты заслонка, дверца и поддувало.
Рекомендуется направить вентилятор в устье топки. За 5—6 дней естественной сушки застывает раствор только на поверхности печи, топки, дымохода.
Принудительная сушка проводится в течение 9—10 дней летом и 3,5—4 недель зимой.
Длительность просушивания зависит от конструкции печи, ее размера и времени года. В печи ежедневно (2 раза в день) сжигают несколько тонких поленьев.
Сушка считается завершенной, если через 3—4 часа после топки на внутренней поверхности дверцы и на задвижке нет конденсата.
Применение и использование глины:
При соединении сухой глины с водой образуется пластичная масса. В зависимости от места выработки и состава ее применяют в самых разных сферах и отраслях:
– производство керамики. Это одна из основных областей применения глины. Разные сорта идут на изготовление керамики, фаянса, фарфора. Из этих материалов изготавливают посуду, статуэтки, вазы, сувениры. Хотя гончарное дело известно уже очень давно, оно продолжает совершенствоваться и сейчас;
– изготовление строительных материалов. Глина является основным компонентом растворов, которые применяют в изготовлении облицовочного и кладочного кирпича, черепицы. Глиняная или керамическая черепица считается одним из самых лучших кровельных материалов. Она отличается долговечностью, прочностью, морозостойкостью, хорошо держит тепло, не «шумит» во время дождя;
– производство цемента. Для изготовления цемента применяют глинистый сланец, который содержит 22% диоксида кремния, 5% оксида кальция. Содержание глины в цементе не превышает 25%, на долю второго компонента, известняка, приходится 75%. Компоненты разводят водой, полученную массу отправляют на обжиг. Полученный гранулированный клинкер охлаждают, измельчают до состояния пыли, добавляют 5% гипса;
– техническая керамика. К этой категории относится довольно большая группа керамических изделий, для которых характерна повышенная твердость, жаростойкость, устойчивость к абразивному износу и механической деформации. Основные виды технокерамики — конструкционная, инструментальная, электрорадиотехничесчкая, керамика со специальными свойствами. Это сантехника, электрические изоляторы, нитепроводящая гарнитура, ролики, муфты, втулки. Корундовые керамические материалы применяют в производстве бронепанелей и бронежилетов.
На какие параметры влияет смесь для кладки кирпичей
Застывшая смесь глины и песка – крепкий и долговечный материал, она не разрушается десятки лет
Составы для сооружения дома, камина, кирпичной бани сильно отличаются. Для первых важнее всего долговечность и прочность сцепления, для вторых на первый план выходит стойкость к действию очень высоких температур и открытого пламени.
Раствор для кладки печи из кирпича ненадлежащего качества приводит к потере функциональности или даже разрушению сооружения. Явными признаками некачественной или неправильно выбранной смеси являются следующие дефекты.
- Трещины в швах – состав даже после полного высыхания должен оставаться эластичным и обладать сходным с кирпичом коэффициентом теплового расширения. Если смесь слишком сухая, под воздействием температуры она теряет плотность, рассыхается и выкрашивается. Печь с трещинами долго не простоит.
- Появление дыма – если трещины становятся слишком большими или раствор полностью высыпается из стыков, дым через щели проникает в помещение. Это опасно для жизни.
- Шатающиеся кирпичи – обычно появляются вокруг дверок топочной камеры. Здесь на них приходится большая нагрузка, под совместным действием веса и открытого пламени кладочная смесь выкрашивается еще быстрее, камни начинают шататься.
В последнем случае можно подождать с ремонтом до весны, но пользоваться топкой придется крайне осторожно.
