Керамический кирпич производится из глины, добытой мелкой фракцией с постоянным составом минералов.
Необходимо, чтобы глины, используемые для производства кирпича, были чистыми, то есть без крупных каменистых включений, а также корней и других растительных остатков. Наиболее вредными являются включения известняка. Кроме того, глины должны быть пластичными, хорошо формоваться, изделия из них не должны давать при сушке трещин.
Наиболее подходящими для производства строительного кирпича являются глины средней пластичности (жирности). Кирпич из слишком жирных глин сохнет с трудом, имеет трещины и коробится. При использовании очень тощих глин кирпич получается с низкой прочностью и морозоустойчивостью. Для получения пластичного глиняного теста к ней добавляют воду. При этом для придания глине нормальной густоты количество воды должно быть оптимальным: если ее слишком много, получается жидкое глиняное тесто, из которого нельзя сформовать изделий, при малом количестве воды масса не приобретает нужной связности, будет рассыпаться. Нормальная густота – такое состояние глиняного теста, при котором оно легко формуется, но не прилипает к рукам.
Жирные, очень пластичные глины приобретают нормальную густоту при добавлении 30-40% воды, глины средней пластичности – при 20-30% и малопластичные глины – при 15-20% воды.
Качество глины можно определить на глаз по срезу. Высокопластичные глины имеют блестящий жирный срез, в состоянии нормальной густоты прилипают к ножу. Если поверхность среза матовая, ровная, без шероховатости, то это говорит о меньшей пластичности. Такие глины при производстве рабочего кирпича требуют добавки отощителя.
При небольшой пластичности срез бывает матовый, слегка шероховатый. Подобные глины и суглинки пригодны для производства кирпича без добавки отощителя. Для определения пластичности образцу глины придают нормальную густоту и из полученного теста делают шарики диаметром 4-5 см, жгутики длиною 15-20 см и толщиною 2 см. Шарики кладут на гладкую доску и сверху медленно надавливают дощечкой, пока они не сплющатся до половины толщины. Если на смятом шарике не появится трещин, значит глина пластична, если трещины появятся – глина малопластична. Шарики из очень тощей глины разваливаются на куски.
Жгутики обвивают вокруг деревянной палки диаметром около 3 см. Пластичные глины при этом не дают трещин и надрывов, тощие глины трескаются и распадаются. О пластичности глины свидетельствует также усадка образцов при сушке. Чем глина пластичнее, тем больше воды требует она для получения теста нормальной густоты и тем больше усадка ее при сушке (усушка).
Для определения усушки из глиняного теста нормальной густоты нарезают образцы небольшого размера. На свежесформованном изделии наносят черту. Затем образцы высушивают, измеряют нанесенную ранее черту и определяют так называемую линейную усадку, которая равна отношению разницы длины черт к длине черты свежесформованного кирпича.
Глины, усадка которых более 10%, – высокопластичны, от 8 до 10% – выше средней пластичности, от б до 8%’ – средней пластичности и меньше 5% – тощие. Глины, имеющие 6-8% усушки являются наиболее пригодными. При большей усушке в глину нужно добавлять отощители. В качестве отощителей применяется песок с крупностью зерен 0,5-2 мм, просеянные или дробленые шлаки с крупностью не более 3 мм, а также опилки.
Наличие в глине каменистых включений определяют методом просеивания подсушенной глины или отмучиванием в воде пробы глины. Нежелательны включения размером более 3-4 мм. Наиболее вредны включения известняка. Для того чтобы выяснить, есть ли во включениях известняк, на остаток, полученный после просеивания или отмучивания, льют по каплям разбавленную соляную кислоту (10% раствор). Известняк вступает в реакцию с кислотой и растворяется в ней.
Глины, содержащие включения известняка, нельзя использовать для производства кирпича, поскольку при обжиге известняк превращается в известь, которая гасится под действием влаги воздуха, увеличивается в объеме и приводит к разрушению изделия.
Глину, намеченную для производства, необходимо подвергнуть испытанию, изготовив из нее пробные кирпичи. Для этого, выкопав на месте предполагаемой добычи глины шурф глубиною на всю толщу залегания глины, делают по высоте стенки шурфа борозду, собирая всю глину из борозды, и тщательно перемешивают ее. Затем, определив пластичность глины, устанавливают необходимость добавки отощителя. Добавив, если нужно, отощитель, глину замачивают, тщательно перемешивают и формуют из нее вручную несколько кирпичей, которые высушивают в помещении и обжигают на ближайшем кирпичном заводе.
Обожженный кирпич в итоге должен быть правильной формы, без трещин, при постукивании металлическим предметом издавать чистый звук, не размокать в воде. Полные испытания нужно производить в лаборатории завода.
Качественные характеристики керамического кирпича ( морозостойкость, прочность, внешний вид) напрямую зависят от глинистого сырья, используемого в производстве. Собственно глина представляет собой горную породу, очень сложную и непостоянную по составу входящих в нее минералов, а также по физическим и технологическим свойствам. Глины обладают способностью размокать, распускаться в воде на отдельные частицы, образуя, в зависимости от количества воды, либо пластичное тесто, либо жидкие смеси, в которых мельчайшие частицы глины находятся во взвешенном состоянии.
Основными требованиями к глине как главному сырью для производства керамического кирпича являются низкое содержание крупно-зернистых включений, хорошие сушильные свойства и способность сырья к формованию. Кирпичные глины не должны содержать щебня, гальки, гравия, крупных кусков известняка, гипса и других примесей. Чаще всего для производства кирпича используются легкоплавкие песчанистые и мергелистые глиняные породы, различные по минеральному составу и цвету.
Чтобы выпускать продукцию с высокими техническими характеристиками, необходимо длительное время использовать в производстве постоянный состав глины. Это позволяет подобрать наиболее оптимальный вариант режимов сушки и обжига. В ином случае достичь хорошего качества кирпича не удастся.
Едва ли не самое главное свойство глины, которое необходимо учитывать в производственном процессе, — пластичность. Под « пластичностью» понимается способность глиняного теста принимать и сохранять любую форму в сыром виде. В зависимости от степени пластичности выделяют 5 групп глин — от высокопластичных до непластичных. В этой же связи распространено деление глин на « жирные» и « тощие» ( супеси, суглинки) , по степени загрязненности глинистого сырья кварцевым песком. Кварцевый песок — наиболее частая и почти всегда преобладающая примесь в глинах, особенно в месторождениях глин остаточного типа. В « жирных» глинах песка мало, а в « тощих» его много.
Для производства качественного керамического кирпича наиболее подходят глины, не требующие дополнительных добавок, преимущественно средней пластичности ( жирности). Если глина будет слишком жирной, то кирпич долго сохнет, может давать трещины. В свою очередь, использование тощих глин негативно отразится на важнейших характеристиках кирпича — прочности и морозостойкости. Тем более не стоит применять сырье, содержащее включения известняка. При обжиге известняк превращается в известь, которая гасится под действием влаги воздуха, увеличивается в объеме и разрушает изделие.
В процессе производства оптимальная густота глинистого сырья достигается добавлением строго определенного количества воды. Определить уровень густоты достаточно просто: глиняное тесто должно легко формоваться, но не прилипать к рукам. Жирные, очень пластичные глины приобретают нужную консистенцию при добавлении 30—40% воды, глины средней пластичности — при 20—30% и малопластичные глины — при 15—20% воды.
О качестве глины можно судить, сделав простой срез. Блестящий жирный срез — признак высокопластичных глин, которые в состоянии нормальной густоты прилипают к ножу. Чем более матовая и ровная поверхность среза, тем меньшей пластичностью характеризуется сырье. Определяют пластичность и таким образом: придав опытному образцу необходимую густоту, делают шарики диаметром 4-5 см. Затем кладут их на гладкую доску и сверху медленно надавливают дощечкой, пока не сплющатся до половины толщины. Если на смятом шарике не появится трещины, значит глина пластична, если трещины появятся — глина мало пластична. Образцы из очень тощей глины разваливаются на куски.
Степень пластичности глины показывает и усадка образцов при сушке: чем больше усадка, тем больше пластичность глины. Глины, усадка которых более 10%, высокопластичны, от 8 до 10% — выше средней пластичности, от 6 до 8% — средней пластичности и меньше 5% — тощие. Соответственно, для производства кирпича наиболее пригодны глины, имеющие 6—8% усушки. Если же показатели больше, то в глину следует добавлять отощители. В качестве отощителей применяют песок с крупностью зерен 0,5—2 мм, просеянные или дробленые шлаки не более 3 мм, а также опилки.
Одно из важнейших свойств глины — способность твердеть после обжига, давая материал, не размокающий в воде и непроницаемый для нее. Исходя из чувствительности к сушке выделяют 3 вида глин — от высокочувствительных до малочувствительных ( в зависимости от того, способна ли глина выдерживать высокие температуры, не давая трещин). При обжиге учитывается еще одно свойство глины — спекаемость, т.е. объем открытых ( сообщающихся с поверхностью) пор в отформованном и обожженном образце. Чтобы не допустить возникновения трещин и в то же время добиться быстрой и равномерной сушки, в глинистую массу вносят отощающие добавки, снижающие пластичность и увеличивающие размер пор и капилляров. При этом наибольший эффект получают при внесении крупнозернистых добавок. Чем больше в глинистой массе крупных частиц, тем крупнее в ней поры и капилляры и тем быстрее и равномернее идет сушка изделий, сформованных из такой массы. В настоящее время широко распространены органические добавки — древесные опилки и ископаемые угли.
Обожженная не при слишком высокой температуре глина не теряет своей пористости и способности впитывать влагу, но окаменевает, совершенно утрачивает способность размываться водою и давать с нею пластическую массу. Обжиг строительного кирпича производится при температуре 900—1000°С.
Глины могут иметь самый различный цвет — от белого до черного. И в известной степени цвет может характеризовать качество глины. Белые и светло-серые глины всегда содержат мало железа и обычно бывают огнеупорными или тугоплавкими. Красно-желтый или красно-бурый цвет глины указывает на то, что она не обладает огнеупорностью и пригодна только для грубой керамики. Черный цвет глины указывает на большую примесь в ней органических веществ. Хотя это никоим образом не определяет технологических свойств сырья. В ряде случаев такие глины могут оказаться вполне удовлетворительным керамическим сырьем, так как после обжига органические примеси выгорают и цвет черепка делается иногда почти белым.
Глины широко распространены в природе и обычно залегают на небольшой глубине от поверхности. Все это делает их дешевым видом минерального сырья. Тем не менее перевозки их на дальние расстояния нецелесообразны. В качестве производственного сырья глины стараются по возможности использовать на месте. Практически все кирпичные заводы обязательно строятся на самом месторождении глин, так как гораздо выгоднее подвозить к заводу более дорогое топливо, чем огромные массы влажной и очень тяжелой глины.
Поскольку кирпичное производство — самый крупный потребитель глин, в производстве особо строгих требований к сырью не предъявляется. Для выработки обычного строительного кирпича применяются широко распространенные легкоплавкие песчанистые ( « тощие») глины любого цвета. Месторождения таких глин встречаются почти повсюду и на них базируется большинство кирпичных заводов.
Свойства, состав сырьевых материалов
В качестве сырья для производства керамического кирпича и керамических камней применяют:
Глинистые породы, встречающиеся в природе в плотном, рыхлом и пластическом состоянии, называемые в целом легкоплавкими глинами, а также трепельные и диатомитовые породы.
Органические и минеральные добавки, корректирующие свойства природного сырья (кварцевый песок, шлаки, шамот, опилки, уголь, зола и другие.).
Светложгущиеся огнеупорные и тугоплавкие глины, стекло, мел, отходы фарфорового производства, огнеупорного кирпича для получения офактуренного лицевого кирпича, изготавливаемого из легкоплавких глин.
Основным сырьём для производства кирпича являются легкоплавкие глины – горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластическое тесто, превращающееся после обжига при 800- 1000 0 С в камнеподобный материал.
Легкоплавкие глины относятся к остаточным и осадочным породам. Для производства кирпича наибольшее применение нашли элювиальные, ледниково-моренные, гумидные, аллювиальные, морские и некоторые другие глины и суглинки.
Для определения возможности использования глин и суглинков для производства стеновых материалов необходимо знать их зерновой, химический и минералогический состав, пластичность и технологические свойства.
Наиболее ценной для производства кирпича является глинистая фракция, содержание которой не должно быть менее 20%.
Очень важно для характеристики глины содержание в ней глинозёма Аl2O3, повышающего технологические свойства сырья: в легкоплавких глинах оно колеблется в пределах от 10 до 15%.
Содержание кремнезёма SiO2 колеблется в пределах от 60 до 75%. В глинах часть кремнезёма находится в связанном виде в глинообразующих минералах и в несвязанном виде как примесь, обладающая свойством отощающих материалов.
Кальций содержится в глинах в виде карбонатов и сульфатов, а магний – в виде доломита. В некоторых сортах глин наличие кальция и магния в пересчете на их оксиды (CaO и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5-10%. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на спекаемость и прочность керамических изделий. При наличии в глинистых породах свыше 20% карбонатных примесей они не могут использоваться без соответствующей обработки или обогащения. Оксиды железа, титана, марганца и других металлов содержатся в глинах в количестве до 10-12% и оказывают существенное влияние на целый ряд важнейших свойств керамических изделий. Наибольшее влияние оказывают оксиды железа, находящиеся в глине в виде оксида Fe2O3 и гидроокиси Fe(OH)3 и оксиды марганца MnO2. Они улучшают спекаемость изделий и придают им окраску.
Калий и натрий входят в глины в виде щелочных оксидов, содержание которых находится в пределах 3,5-5%.
Сера присутствует в глинах в различных соединениях, ее содержание не оказывает на качество стеновых керамических изделий.
Органические вещества обычно содержатся в глинах в количестве от 5-10%. При обжиге изделий они выгорают, увеличивая пористость черепка. В зависимости от содержания в глине органических веществ, воды и карбонатов (CaCO3, MgCO3) находится показатель потерь при прокаливании (табл. 1).
Примерный химический состав кирпичных глин и суглинков, %.