Сырьевые материалы, применяемые для производства керамических изделий

Сырьевые материалы, используемые при изготовлении керамических изделий, можно разделить на две основные группы: глинистые и непластичные.

Глины

К глинистым материалам относятся глины и каолины. Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье представляет собой горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда).

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье классифицируют:

- по огнеупорности;

- по содержанию А1₂О₃;

- по содержанию красящих оксидов (Fe₂О₃, ТiO₂,);

- по содержанию водорастворимых солей;

- по минеральному составу;

- по содержанию тонкодисперсных фракций;

- по содержанию крупнозернистых включений;

- по пластичности;

- по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;

- по спекаемости;

- по содержанию свободного кремнезема.

Состав глин

Каолинит имеет химическую формулу Al₂O₃•2Si₂O₂•2H₂O. Его кристаллическая решетка характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов и неподвижна. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно отдает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита от 1 до 3 мк.

Монтмориллонит имеет химическую формулу Al₂O₃•4Si₂O₂•H₂O•nH₂O. Эта формула не совсем точно отражает состав монтмориллонита, так как в состав кристаллической решетки некоторых разновидностей этой группы минералов входят также Mg, Fe, Na. Кристаллическая решетка монтмориллонита имеет слоистое строение, отдельные слои в ней могут раздвигаться под воздействием вклинивающихся молекул воды. В связи с этим монтмориллонит способен интенсивно поглощать довольно большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении — объем увеличивается в 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк.

Гидрослюда является продуктом многолетней гидратации слюд и имеет химическую формулу K₂O•MgO•4Al₂O₃•7SiO₂•2H₂O. Кристаллическая решетка у этого минерала не разбухающая. По интенсивности связи с водой он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Характерной особенностью минерала является то, что в его составе принимают участие окcиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также способность отдельных катионов к изоморфным замещениям. Так, Si⁴⁺ может замещаться Аl³⁺, а последний — Mg²⁺. Размеры частиц гидрослюды около 1 мк.

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и т.п.

Примесями являются все компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов. В составе примесей различают их тонкодисперсную часть и включения. Согласно ГОСТ 9169 включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм.Для глин, используемых в технологии грубой строительной керамики, к включениям относятся зерна величиной более 2 мм.

Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и тонкодисперсной кварцевой пыли — шлюфа. Они отощают глину, ухудшая ее формовочные свойства. Кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а шлюф — ухудшает. Обжиговые свойства глин кварцевые примеси ухудшают, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении. Кроме того, они понижают прочность, а иногда и морозостойкость обожженных изделий. Особенно вредны кварцевые примеси для производства керамзита.

Карбонатные примеси встречаются в глинах в трех структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, составляющих с остальной частью породы однородную массу, в виде рыхлых примазок и мучнистых стяжаний и в виде плотных каменистых конкреций, которые являются включениями.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по схеме СаСО₃→СаО + СО₂, обусловливают повышенную пористость керамического черепка и некоторое понижение его прочности. При производстве стеновых материалов они не являются вредными, однако ухудшают свойства глин, используемых для производства изделий со спекшимся черепком, и керамзита.

Рыхлые примазки и скопления при механической обработке глины легко разрушаются и превращаются в равномерно распределенную безвредную тонкодисперсную примесь, количество которой обычно невелико, и потому они существенно не влияют на свойства глины.

Каменистые карбонатные включения являются вредными, вызывая в изделиях характерные пороки, получившие название «дутика».

Железистые примеси встречаются в виде тонкодисперсных равномерно распределенных минералов лимонита, гидроокида железа и включений пирита. Тонкодисперсные железистые примеси придают глине окраску от светло-коричневого до темно-красного тона, а обожженному керамическому черепку — от кремового и бледно-розового до красного.

При обжиге изделий в восстановительной среде железистые оксиды переходят из окисных соединений в закисные (восстанавливаются), окрашивающие изделие в сине-зеленоватый цвет. При увеличении содержания железа цвет глины после обжига делается все более темным и может стать черным. Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей.

Закисные соединения железа, обладая большой реакционной способностью, интенсивно образуют железистые силикатные расплавы (стекла), способствуя сильному уплотнению керамического черепка. Наличие тонкодисперсных железистых примесей вредно для глин, используемых для производства беложгущихся керамических изделий (фарфор, фаянс), и, наоборот, благоприятно для красножгущихся изделий с плотным черепком (канализационные трубы, плитки для полов), а также для керамзита и аглопорита.

Включения пирита FeS₂ вызывают на обожженных изделиях появление железистых выплавок, а мелкодисперсных железистых включений — точечных черных пятен («мушки»). Аналогичные последствия, но с меньшей интенсивностью вызывают и примеси сидерита FeCО₃.

Щелочные оксиды в примесях глин присутствуют обычно в виде полевошпатового песка и растворимых солей. Последние при сушке изделия мигрируют по капиллярам на его поверхность, а после обжига спекаются с черепком, образуя на внешней поверхности изделия белые налеты, портящие цвет черепка (в особенности красный).

Органические примеси окрашивают глину в черный цвет. В обжиге они выгорают, выделяя газы и обусловливая восстановительную среду внутри черепка. Эти явления полезны в производстве керамзита и, наоборот, могут являться источником определенных пороков («пузыря») при обжиге изделий с плотным черепком.

Гранулометрическим (зерновым) составомглин называется процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе.

В производстве стеновых и других изделий грубой керамики чаще всего пользуются трехчленной классификацией глин (по Рутковскому), относя к глинистой части фракцию менее 5 мк,к пылевидной — от 5 до 50 мки к песчаной — от 50 мкдо 2 мм.Включениями считаются зерна величиной более 2 мм.

Трехчленная классификация дает возможность графически изображать гранулометрический состав глинистой породы при помощи треугольной диаграммы (рис. 1).

Рис. 1. Треугольная диаграмма гранулометрического состава глин

Она представляет собой равносторонний треугольник, каждая из вершин которого соответствует 100%-ному содержанию какой-либо одной фракции (глинистой, пылевидной, песчаной), а каждая сторона является геометрическим местом точек соответствующих бинарных составов (глинистое вещество — песок, глинистое вещество— пыль, пыль — песок). Внутри треугольника располагаются все трехчленные составы глинистой породы. Против вершин располагаются параллельные эквидистантные линии с убывающим содержанием фракции, соответствующей рассматриваемой вершине. Так, например, состав, содержащий глинистой фракции 40%, пылевидной—50% и песчаной—10%, изобразится точкой А.

Пользование треугольной диаграммой весьма удобно для наглядного изображения результатов систематического контроля гранулометрического состава глины, поступающей в производство. Если точки, изображающие гранулометрический состав, располагаются на диаграмме «кучно», то это свидетельствует о сравнительном постоянстве состава глины; если же они сильно разбросаны, то это указывает на нестабильность состава глины и на возможное появление брака готовой продукции.

Пользование треугольной диаграммой открывает и некоторые расчетные возможности. Так, например, можно решать задачи по определению состава смеси различных глин, их отощению и обогащению.

Исследуя гранулометрические составы многочисленных глин и сопоставляя их с результатами использования этих глин для изготовления отдельных видов керамических изделий, некоторые авторы определили на треугольной диаграмме области составов, пригодных для изготовления определенных видов изделий грубой керамики. Это сделано, например, на диаграмме А. С. Беркмана и И. Г. Мельниковой (рис. 2). Зная гранулометрический состав глины и пользуясь этой диаграммой, можно составить первое представление о пригодности глин для изготовления определенных видов изделий грубой строительной керамики.

Рис. 2. Диаграмма гранулометрического состава глин. Глины пригодны для изготовления: 1 – полнотелого кирпича; 2 – кирпича с пустотами; 3 – черепицы; 4 – дренажных труб и других тонкостенных изделий; 5 – гончарных и других изделий, для которых необязательна морозостойкость

В химическом составе глинпринимают участие следующие основные оксиды: SiО₂, А1₂О₃, СаО, MgO, Fe₂О₃, ТiO₂, К₂O, Na₂O.

Кремнезем Si0₂ находится в глинах в связанном и свобод­ном состояниях: связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка и шлюфа. Определение химическим анализом содержания свободного кремнезема является особо важным при оценке пригодности глин для производства керамзита. Общее содержание кремнезема в глинах составляет 60—65°/₀ и в запесоченных глинах достигает 80—85%.

Глинозем А1₂О₃ находится в глинах в связанном состоянии, участвуя в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом: с повышением его содержания огнеупорность глин возрастает. Так как содержание слюдистых примесей в глинах обычно невелико, то содержание в них глинозема косвенно отражает относительную величину глинистой фракции, содержащейся в глинистой породе. Содержание глинозема колеблется от 10—15% в кирпичных и до 32—35%в наиболее ценных сортах огнеупорных глин.

Известь СаО и магнезия MgO в небольших количествах участвуют в составе глинистых минералов. При относительно высоких температурах обжига известь вступает в реакцию с глиноземом и кремнеземом и, образуя эквтектические расплавы в виде алюмлкальциевых силикатных стекол, резко понижает температуру плавления глины.

Оксид железа Fe₂О₃ содержится в глинах в виде примесей и оказывает на них и на обожженный черепок прежде всего красящее действие. Температуру плавления глины оксиды железа заметно понижают лишь при обжиге в восстановительной среде. Содержание оксидов железа (в пересчете на Fe₂О₃) находится в пределах от долей процента в наиболее чистых беложгущихся глинах до 8-10% в кирпичных.

Диоксид титана ТiO₂ участвует в примесях и его содержание не превышает 1,5%. Диоксид титана придает обожженному черепку окраску зеленоватых тонов.

Щелочные оксиды К₂O, Na₂O входят в состав некоторых глинообразующих минералов, но в большинстве случаев присутствуют в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание составляет до 5-6%. Они ослабляют красящее действие Fe₂О₃ и ТiO₂ и понижают температуру плавления глин.

Химический состав глин является их важнейшей характеристикой и в значительной мере определяет промышленное их назначение. Пригодность глин для производства тех или иных изделий можно оценивать диаграммой А.И. Августинника

Рис. 3. Промышленное назначение глин в зависимости от их химического состава. Глины пригодны для производства 1 - огнеупорных шамотных изделий; 2 - плиток для полов, канализационных труб, кислотоупорных изделий и каменного товара; 3 -гончарных и терракотовых изделий; 4 - черепицы; 5 - мостового клинкера; 6 - кирпича

Свойства глин

Свойства глин, используемые в технологии керамики, могут быть объединены в четыре основные группы: водные, механические, сушильные и обжиговые (термические).

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.

Рис. 4. Схема строения обводненной глинистой частицы: 1- зерно глинистого минерала; 2 - мономолекулярный адсорбированный слой; 3 - полимолекулярный адсорбированный слой; 4 - диффузный слой

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 легкоперемещаются 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 (рис. 5).

Рис. 5.Схема тиксотропного упрочнения глины

В начальный момент времени t₀ глиняная масса имеет прочность R⁰ _сд. 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 R_сд'. 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 = w_т – w_р ,% (2.8)

где w_т и w_р – влажность при пределе текучести и при пределе раскатывания.

Влажность предела раскатывания (w_р) является границей между хрупким и пластическим состоянием системы, а влажность предела текучести (w_т) 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 w_ф и содержанием глинистого вещества А_гл, мас. % выражается зависимостью:

w _ф = К А_гл, (2)

где К — опытный коэффициент, имеющий следующие значения:

A_гл ,% 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:

L_от = (l₀ – l₁)/ l₀, (3)

где L_от – 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 l_к.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.

Рис. 6. Схема к определению коэффициента усадки

Угловой коэффициент этой прямой назван коэффициентом усадки K_ус, который может рассматриваться как физическая константа, характеризует усадочные свойства данной глины. K_ус вычисляют по формуле:

К_ус = tg α = (l₀–l_к.у.) / (w₀–w_к.у.) (4)

где l_к.у. и w_к.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 К_ч

(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 К_ч глины бывают трех классов: малочувствительные (К_ч < 1), cреднечувствительные (К_ч = 1…1,5) и высокочувствительные (К_ч > 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 К_ч, 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.

Спекаемостьявляется 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 t^об_пр , превышение которой дает признаки пережога. При температуре t₁, которая на 50° ниже t^об_пр, глина 1 дает керамику с водопоглощением 2%. В интервале t^об_пр – 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:

а для огнеупорных глин:

где – 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, каче