Keramika jsou kamenné materiály získané z minerálních surovin lisováním a vypalováním při vysokých teplotách (900-1300 0 C).
Surovinou pro výrobu keramických výrobků jsou kaoliny a jíly, používané v čisté formě, častěji ve směsi s přísadami (kypřící prostředky, pórotvorné prostředky, tavidla, změkčovadla apod.). Kaoliny a jíly jsou chápány jako přírodní vodné hlinitokřemičitany s různými nečistotami, schopné po smíchání s vodou vytvořit plastické těsto, které po vypálení nenávratně přechází do kamenného stavu.
Keramické stavební materiály se dělí v závislosti na jejich struktuře do dvou hlavních skupin: pórovitý a hustý. Porézní absorbují více než 5 % vody (hmotnostně), v průměru je jejich nasákavost 8–20 % hmot. nebo 14–36 % objemových. Stěnové, střešní a obkladové materiály, ale i stěny drenážních trubek apod. mají porézní strukturu. Husté absorbují méně než 5 % vody, nejčastěji 1-4 % hmotnosti nebo 2-8 % objemu. Dlaždice, silniční cihly, stěny kanalizačních trubek atd. mají hustou strukturu.
Do cíle keramické materiály a výrobky jsou rozděleny do následujících typů: stěnové výrobky (cihly, duté kameny a panely z nich); střešní výrobky (dlaždice); podlahové prvky; výrobky pro obklady fasád (lícové cihly, maloformátové a jiné dlaždice, sazbařské panely, architektonické a umělecké detaily); výrobky pro vnitřní obklady stěn (glazované dlaždice a tvarové díly k nim – římsy, rohy, konzoly); plniva do lehkého betonu (expandovaný jíl, agloporit); tepelně izolační výrobky (perlitová keramika, celulární keramika, křemelina atd.); sanitární výrobky (mycí stoly, vany, toalety); podlahové dlaždice; silniční cihla; výrobky odolné proti kyselinám (cihly, dlaždice, trubky a jejich tvarovky); žáruvzdorné materiály; výrobky pro podzemní komunikace (kanalizační a drenážní potrubí).
Výše uvedená klasifikace ukazuje široké použití keramických materiálů a výrobků ve stavebnictví.
Hlavní vlastnosti keramických materiálů jsou:
– poréznost keramické střepy (porézní výrobky). Obvykle je to 10-40%, zvyšuje se zavedením pórotvorných přísad do keramické hmoty. Ve snaze snížit hustotu a tepelnou vodivost se uchylují k vytváření dutin v cihlách a keramických kamenech.
-absorbce vody charakterizuje pórovitost keramického střepu. Porézní keramické výrobky mají nasákavost 6-20 % hm., tzn. 12-40 % objemu. Absorpce vody u hustých produktů je mnohem menší: 1-5 % hmotnosti (2-10 % objemu).
-tepelná vodivost absolutně hutný keramický střep je velký – 1,16 W/(m °C). Vzduchové póry a dutiny vytvořené v keramických výrobcích snižují hustotu a výrazně snižují tepelnou vodivost, například snížení hustoty nástěnných keramických výrobků z 1800 na 700 kg/m 3 snižuje jejich tepelnou vodivost z 0,8 na 0,21 W/(m °C). V souladu s tím je snížena tloušťka vnější stěny a spotřeba materiálu obvodových konstrukcí.
-síla závisí na fázovém složení keramického střepu, pórovitosti a přítomnosti trhlin. Stupeň pevnosti keramického výrobku (cihla atd.) z hlediska pevnosti udává pevnost v tlaku, avšak při stanovení jakosti cihly se spolu s pevností v tlaku bere v úvahu i pevnost v ohybu, protože cihla v zdivo podléhá ohybu. Výrobky s porézním střepem se vyrábí v jakostech 75 – 300, hutné výrobky (silniční cihly apod.) se vyrábějí ve vyšších jakostech (400 – 1000).
Mezi pevností keramického střepu Rс a jeho hustotní koeficient Кpl závislost je vysledována ve formě kubické paraboly
kde Rо — konečná pevnost v tlaku absolutně hustého střepu;
Кpl – koeficient hustoty;
Кpl = ρт/ρ; ρт и ρ – průměrná hustota a skutečná hustota keramického střepu.
– mrazuvzdornost. Stupeň mrazuvzdornosti udává počet cyklů střídavého zmrazování a rozmrazování, které keramický výrobek vydrží ve stavu nasyceném vodou bez známek viditelného poškození (delaminace, odlupování, praskání, odštípnutí). Keramické výrobky mají stupně mrazuvzdornosti: 15, 25, 35, 50, 75, 100, v závislosti na jejich struktuře.
Keramický materiál je mrazuvzdorný, pokud objem rezervních pórů v něm postačuje ke kompenzaci nárůstu objemu mrznoucí vody v „nebezpečných“ pórech. Rezervní póry zahrnují otevřené póry (o průměru větším než 200 mikronů), ve kterých kapilární tlak nestačí k zadržení vody, a také póry uzavřené. „Nebezpečné“ póry zadržují vodu, která při mírných mrazech (-10 °C) zamrzá.
– paropropustnost Nástěnné keramické výrobky přispívají k větrání místnosti. Nízká paropropustnost často způsobuje pocení na vnitřním povrchu stěn místností s vysokou vlhkostí vzduchu. Paropropustnost závisí na poréznosti a povaze pórů. Například koeficient paropropustnosti polosuchých lisovaných fasádních obkladů s nasákavostí je 8,5; 6,5 a 0,25 % se rovná 0,155; 0,0525 a 0,029 g/(m-h-Pa). Nerovnoměrná paropropustnost vrstev, které tvoří vnější stěnu, způsobuje hromadění vlhkosti. Fasádní obklady stěn glazovanými dlaždicemi tak mohou vést k hromadění vlhkosti v kontaktní vrstvě stěna-obklad; následné zmrznutí vlhkosti způsobí odlupování obkladu.
Navzdory skutečnosti, že keramické materiály a výrobky jsou velmi rozmanité co do účelu, tvaru a fyzikálních a mechanických vlastností, jejich výroba je v zásadě stejná a sestává z těchto hlavních procesů: těžba jílu v lomech; hromadná příprava; formovací výrobky z připravené hmoty; sušení lisovaných výrobků; vypalování předsušených produktů.
V současnosti keramické materiály a výrobky opět zaujaly své právoplatné místo v žebříčku nejoblíbenějších materiálů používaných v různých oborech stavebnictví vč. ve vodním hospodářství a zavlažování.
keramický materiály a výrobky jsou výrobky získané lisováním a vypalováním hlíny.
Na základě hustoty se keramické materiály a výrobky dělí na 2 hlavní typy: husté a porézní.
1) porézní keramické výrobky absorbují více než 5 % hmotnosti vody. Průměrná absorpce vody z hmotnosti porézních produktů je 8-20% a 15-35% objemu,
2) husté se vyznačují nasákavostí vody menší než 5 %, nejčastěji 2–4 % a objemovou 4–8 %.
Podle účelu ve stavebnictví se rozlišují následující skupiny keramických materiálů:
materiály stěn (běžné hliněné cihly, duté, lehké, duté keramické kameny);
zastřešení (dlaždice, keramické duté výrobky);
čelí (pro vnitřní a vnější obklady – cihly a obklady, glazované a engobované obklady),
podlahové materiály (dlaždice),
materiály pro speciální účely (silniční, zdravotně technické, chemicky odolné, materiály pro podzemní komunikace, tepelně izolační, ohnivzdorné).
Suroviny pro výrobu keramických výrobků
Suroviny používané pro výrobu keramických výrobků lze rozdělit na plastové a chudé.
Jíly a jejich keramické vlastnosti
Jíly jsou sedimentární horniny, které jsou tenkozeměnými minerálními hmotami, které jsou bez ohledu na své mineralogické a chemické složení schopné vytvořit s vodou plastické těsto, které se po vypálení změní na vodotěsné a odolné těleso podobné kameni. Složkou jílu je kaolinit, kromě toho obsahuje hydroaluminosilikáty (haloysit Al2O3 2SiO2 4H2O, montmorillonit Al2O3 4SiO2 nH2O), kromě nich existují nečistoty: křemen, živec, pyrit atd. Tyto nečistoty ovlivňují technologii keramických výrobků a jejich vlastnosti. Jíly často obsahují organické nečistoty. Vysoká plasticita jílů je dána přítomností malých částic, jejichž průměr nepřesahuje 0,005 mm – tyto částice jsou tzv. jílovitý. Podle obsahu jílovité hmoty se rozlišují: těžké jíly (jílovité hmoty více než 60 %), skutečné jíly (30-60 %), hlíny (10-30 %), písčité hlíny (5-10 %).
Ve vztahu k působení vysokých teplot se jíly dělí do 3 skupin:
žáruvzdorné (požární odolnost více než 1580 0 C), patří sem kaolinové jíly obsahující málo mechanických nečistot: Al2O3 – 25-39 %, SiO2 – 46-62 %, Na2O + K2O – 0.3-3 %,
Podle množství obsahu Al2O3 a TiO2 jíly se dělí na vysoce zásadité s množstvím nad 40%, zásadité – 30-40%, polokyselé – 15-30%, kyselé – méně než 15%.
Podle teploty slinování: nízkoteplotní slinovací jíly jsou nižší než 1100 0 C, středněteplotní spékací jíly jsou 1000-1300 0 C a vysokoteplotní spékací jíly jsou více než 1300 0 C.
Vhodnost jílovité hmoty pro výrobu keramických a žáruvzdorných výrobků je dána jejich vlastnostmi v závislosti na jejich chemickém a mineralogickém složení a zrnitosti. složení, přítomnost nečistot.
Vlastnosti jílů jako suroviny pro výrobu keramiky: plasticita, vztah k vysychání, vztah k ohřevu, požární odolnost.
Plastičnost Hlína je její schopnost pod vlivem vnějších sil zaujmout jakýkoli tvar, aniž by narušila kontinuitu, a udržet si tento tvar poté, co síla ustane. Správnější by bylo říci, že plasticita není vlastnost, ale jeden ze stavů.
Plastický stav je mezi křehkým a viskózním tekoucím.
Plasticita především závisí na granulometrickém složení: s rostoucí disperzí jílů se zvyšuje jejich plasticita. Pískovitost snižuje jejich plasticitu.
Plastičnost se posuzuje číslem plasticity – rozdílem mezi vlhkostí na spodní meze průtažnosti a mezí válcování. Pro stavební keramiku Pl = 7-15.
Plastičnost hlíny lze změnit. Pro snížení plasticity se zavádějí neplastické materiály (přísady naklonění) nebo se přidávají jíly s nízkou plasticitou. Pro zvýšení: drtí se více plastických jílů a přidávají se změkčovadla.
Podle plasticity se jíly dělí na: vysoce plastické, středně plastické, středně plastické, nízko plastické, neplastické – nevyrábějící plastické těsto.
Vzduchové smrštění (smršťování) jílu
Smrštění vzduchem je zmenšení velikosti vzorku během sušení.
Odstranění vlhkosti během sušení způsobí zmenšení velikosti a objemu vzorku, přičemž se zvýší vnitřní pnutí, což vede k praskání. Smrštění závisí na obsahu jílových částic a posuzuje se koeficientem citlivosti na sesychání – Kch, který je definován jako poměr objemového smrštění ke skutečné pórovitosti materiálu v suchém stavu.
Podle stupně citlivosti se jíly dělí na: málo citlivé – CN < 1, středně citlivé – CN 1-1,5, vysoce citlivé – CN >1,5.
Objemové smrštění jílů se pohybuje od 2-3 do 10-12%.
Vztah jílů k teplu
Při zahřívání dochází v jílu k řadě fyzikálních a chemických změn. Hlavní změna nastává při procesu výpalu, při kterém se hlína mění v materiál podobný kameni, který nenasákne vodou.
Proces probíhá následovně:
Nejprve se fyzikálně vázaná voda odpaří při t = 110 0 C a výše. Poté se z jílových minerálů odstraní chemicky vázaná voda a cestou se vypálí organické nečistoty. K odstraňování chemicky vázané vody dochází intenzivně při t = 550 0 C a končí při t = 750 0 C. V důsledku toho ztrácí jíl svou plasticitu a získává maximální pórovitost. Při t = 900 0 C a výše se kaolinit rozkládá na volné oxidy Al2O3 a SiO2, při t > 1000 0 C se vzájemně znovu spojují, tvoří nové sloučeniny s nízkou teplotou tání. Pokud se hlína, která získala maximální pórovitost, nadále zahřívá, pak se tyto sloučeniny začnou tavit a vázat hmotu. Tento proces se nazývá spékání hlíny. Většina jílů se začíná slinovat při t > 900 0 C. Při pokračujícím zvyšování teploty dochází k úplnému slinování jílu, všechny mezery jsou vyplněny roztaveným materiálem, ale hmota je stále schopna odolat vlastní hmotnosti a nedeformovat se. Při slinování se hlína zhutňuje a používá se k výrobě hutných produktů.
Při dalším zahřívání dochází k úplnému změknutí, hmota neunese vlastní váhu a rozteče se.
Pro výrobu hutných produktů je nutné, aby mezi teplotami slinování a úplným změkčením byl dostatečně velký interval alespoň 50-100 0 C.
Prudce snižují teplotu měknutí přísady – tavidla. Hodnota tavidel je skvělá, protože snížení teploty spékání umožňuje snížit spotřebu paliva během výpalu. Při výrobě žáruvzdorných materiálů je nepřijatelné obsahovat velké množství tavidla v jílu, protože ke změkčení dochází příliš brzy.
Smršťování ohněm – zmenšení velikosti produktu během výpalu se vysvětluje tím, že nejtavitelnější částice jílu se přemění do kapalného stavu, který vyplňuje mezery mezi pevnými částicemi. Mastné jíly vykazují větší smršťování ohněm než chudé jíly, takže se k nim často přidávají chudé jíly nebo písky. Smršťování ohněm se pohybuje od 2 do 6 %.
ohnivzdornost je vlastnost jílu odolávat vysokým teplotám bez roztavení. Požární odolnost se vyjadřuje ve stupních a zjišťuje se na Zegerově kuželu (ve tvaru úzkého 3-bokého jehlanu o výšce 30 mm). Pro stanovení požární odolnosti se pyramida testované hlíny zahřívá společně s několika pyroskopy. Požární odolnost hlíny odpovídá požární odolnosti pyroskopu, který se dotkl stojanu současně se zkušebním vzorkem. Mezera mezi teplotou slinování a žáruvzdorností se nazývá interval slinování. V tomto rozmezí leží teplota vypalování pro získání hotového keramického materiálu.
Aditiva zaváděná do jílu pro úpravu vlastností.
Hubená. Ke snížení smrštění při sušení a vypalování a také k prevenci deformací a prasklin v hlíně.
Šamot (dehydrovaná hlína), struska, popel a piliny se používají jako umělé přísady na naklonění. Přírodní ředidla jsou materiály, které po smíchání s vodou nejsou schopny vytvořit plastickou hmotu (písek).
Spalitelné (tvorící póry). Při výrobě hrubých keramických výrobků se do hmoty suroviny zavádějí přísady tvořící póry (piliny, uhlí, rašelinový prach atd.), aby se zvýšila poréznost a snížila tepelná vodivost. Při vypalování pálí a tvoří póry.
tavidla (tavidlo). Zavádění tavidla do jílu pomáhá snížit teplotu spékání. Patří sem živce, železná ruda, dolomit, mastek atd.
