КЕРАМИЧЕСКИЙ  КИРПИЧ:  ПРИЧИНЫ  ПОЯВЛЕНИЯ  И  СПОСОБЫ  УСТРАНЕНИЯ  СУШИЛЬНЫХ  И  ОБЖИГОВЫХ  ТРЕЩИН

Новикова  Светлана  Николаевна

студент  3  курса  кафедра  «Автомобильные  дороги»,  ТОГУ 
РФ,  г.  Хабаровск

E-mail:  Svetlana.novikova00@mail.ru.

Куликова  Елена  Сергеевна

научный  руководитель  старший  преподаватель,  кафедра  «Автомобильные  дороги»,  ТОГУ 
РФ,  г.  Хабаровск

E-mail:  kulikovaes@mail.ru

Керамический  кирпич  является  универсальным  отделочно-конструкционным  материалом  с  высокими  архитектурно-декоративными  свойствами.  Прочность,  долговечность,  цветоустойчивость,  высокие  гигиенические  и  эстетические  качества  кирпича,  доступность  глинистого  сырья  позволили  ему  стать  одним  из  самых  распространенных  и  востребованных  изделий.  Однако,  дефицит  качественного  кирпича  наблюдается  не  только  во  многих  регионах  России,  но  и  в  Хабаровском  крае.  Вопрос  повышения  качества  продукции  остается  одним  из  самых  важных  для  всех  кирпичных  заводов,  как  действующих,  так  и  для  строящихся.  В  статье  приводятся  наиболее  часто  встречающиеся  причины  образования  дефектов  при  производстве  керамического  кирпича,  а  также  рассмотрены  мероприятия,  которые  позволят  повысить  качество  выпускаемых  изделий.

В  производстве  керамического  кирпича  при  пластическом  способе  формования  существует  ряд  последовательных  технологических  операций.  И  одними  из  важнейших,  обеспечивающих  качество  изделий  и  технико-экономические  показатели  производства  является  его  сушка  и  обжиг. 

Сушка  изделий

Сушкой  называется  процесс  понижения  влажности  в  отформованном  изделии  до  6–8  %.  При  такой  влажности  сырец  приобретает  необходимую  механическую  прочность  для  погрузки  на  обжиговые  вагонетки  [2].  В  себестоимости  кирпича  затраты  на  сушку  составляют  до  12  %.

Одной  из  важнейших  задач  технологии  сушки  является  определение  того  минимального  времени,  в  течение  которого  керамическое  изделие  может  быть  высушено  до  заданной  конечной  влажности  без  трещин,  кондиционного  качества,  в  минимальные  сроки  и  при  возможно  малых  затратах  тепловой  энергии.  Процесс  сушки  керамического  кирпича  характеризуется  основными  технологическими  факторами:

·     изменением  температуры  сформованного  изделия;

·     изменением  его  влагосодержания;

·     изменением  скорости  сушки;

·     возникновением  усадки  и  усадочных  напряжений;

·     продолжительностью  сушки.

Технологически  правильное  регулирование  интенсивности  испарения  влаги  как  с  поверхности  изделий,  так  и  из  его  внутренних  слоев  в  различные  периоды  сушки,  регулирование  усадочных  напряжений  и  усадки  полуфабриката,  продолжительности  сушки,  свойств  и  скорости  теплоносителя  достигается  правильным  выбором  режимов  сушки.

Главной  причиной  появления  сушильных  трещин  в  керамических  изделиях  пластического  формования  является  возникновение  предельных  перепадов  влагосодержаний  между  центром  и  поверхностью  изделий,  при  которых  напряжения  вызванные  усадкой  превосходят  предел  прочности  материала.  Следовательно,  задача  технологов  сводится  к  определению  той  минимальной  длительности  сушки,  при  которой  перепады  влагосодержаний  не  будут  критическими.

При  медленной  и  всесторонней  сушке  влага  равномерно  распределяется  в  толще  массы,  что  приводит  к  равномерному  набуха­нию  глины  по  всему  изделию  и  натяжение  наружного  и  внутреннего  слоев  керамической  массы  выравнивается  без  рас­трескивания  и  разрывов.

Для  того  чтобы  процесс  сушки  шел  более  успешно,  необходимо  достичь  синхронного  удаления  влаги  с  по­верхности  и  поступления  ее  из  центра  к  поверхности,  скорости  внешней  и  внутренней  диффузии  должны  быть  одинаковыми  или  подобраны  в  таком  соотношении,  при  котором  возникающие  усадочные  напряжения  не  приво­дят  к  растрескиванию  сырца.

Опасность  возникновения  усадочных  трещин  исчезает,  если  усадка  практически  заканчивается,  это  наступает,  когда  количество  испарившейся  влаги  достигает  известного  предела  -  критической  влажности.

Описанный  механизм  образования  трещин  и  деформаций  в  процессе  сушки  характерен  для  изделий  пластического  формования.  При  этом  принято  считать,  что  по  достижению  изделием  влажности  конца  усадки  его  можно  сушить  практически  с  любой  скоростью.  В  условиях  промышленной  сушки  это  положение  в  подавляющем  большинстве  случаем  подтверждается  [1].

Применяя  перечисленные  ниже  методы  при  сушке  изделий  для  повышения  их  трещиностойкости,  позволит  повысить  качество  и  конкурентноспособность  выпускаемой  продукции:

·     паровое  увлажнение  глины,  повышающее  начальную  температуру  изделий  и  обусловливающее  однозначность  температурных  и  влажностных  показателей.  Паровое  увлажнение  глины  сокращает  длительность  сушки  отформованного  изделия.  Эффект  парового  увлажнения  также  предотвращает  конденсацию  влаги  в  начальный  период  сушки;

·     прогрев  глины  в  сушильном  барабане  перед  формованием  применяют  для  глин  с  высокой  карьерной  влажностью  и  влажностью  выше  формовочной;

·     отощение  глин  крупнозернистыми  добавками  уменьшает  величину  коэффициента  усадки  и  увеличивает  коэффициент  влагопроводности;

·     добавка  опилок  –  одно  из  наиболее  эффективных  средств  повышения  трещиностойкости  кирпича-сырца  в  сушке.  Благоприятное  влияние  опилок  объясняется  их  армирующим  действием,  поскольку  длина  зерен  опилок  на  несколько  порядков  больше  глинистых  частиц;

·     добавка  гипса  в  глину  также  повышает  прочность  сформованных  изделий;

·     вакуумирование  глины  обуславливает  возрастание  ее  прочности  и  растяжимости,  что  дает  возможность  применять  режимы,  ускоряющие  процесс  сушки,  хотя  коэффициент  влагопроводности  уменьшается;

·     орошение  мундштука  влагозадерживающими  составами  понижает  коэффициент  влагоотдачи,  снижая  тем  самым  величину  перепадов  влагосодержаний  в  толще  изделия;

·     накатка  сырца  уплотняет  поверхностные  слои  изделия,  тем  самым  уплотняет  их,  а  также  понижает  коэффициент  влагоотдачи,  способствуя  уменьшению  перепадов  влагосодержаний  по  толщине  изделия;

·     добавка  в  глину  керосина  в  количестве  0,5  %  от  веса  сухой  глины  применяют  за  рубежом  для  улучшения  сушильных  свойств  глины. 

·     добавка  высокопластичной  глины  улучшает  сушильные  свойства  тощих  пылевидных  глин,  повышая  их  прочность  и  растяжимость;

·     рециркуляция  отработанного  теплоносителя  и  увлажнение  теплоносителя  водяным  паром,  повышают  начальное  парциальное  давление  водяных  паров,  и  тем  самым  притормаживает  интенсивность  внешнего  влагообмена,  уменьшая  перепад  влагосодержаний  в  толще  высушенного  изделия.  После  процесса  сушки  изделие  отправляется  на  2  из  важнейших  этапов  производства  кирпича  –  обжиг. 

Обжиг  изделий

Обжиг  изделий  является  конечной  и  очень  важной  стадией  изготовления  кирпича.  Его  основные  отличия  от  сушки  –  это  наличие  более  высокой  температуры  и  более  жестких,  условий  выдержки  кирпича.  К  основным  деструктивным  явлениям  в  период  обжига  можно  отнести:

·     удаление  остаточной  (после  сушки)  влаги;

·     дегидратацию  глинистых  минералов;

·     выделение  летучих  газообразных  веществ;

·     модифицированные  превращения  кварца;

·     термические  напряжения  на  границах  раздела  отдельных  фаз;

·   термические  напряжения  вследствие  неоднородного  температурного  поля  в  нагреваемом  (охлаждаемом)  изделии. 

Именно  в  процессе  обжига  вероятность  появления  деформаций  и  нарушений  в  структуре  особенно  высока  (рис.  1).  Рассмотрим  механизм  действия  основных  причин  на  появление  трещин  и  нарушение  структуры  изделий.  Во  многих  глинах  в  качестве  примесей  встречаются  карбонаты  кальция  и  магния.  В  некоторые  керамические  смеси  их  вводят  в  качестве  добавки.

Рисунок  1.  Продольные  и  радиальные  трещины  при  нарушении  технологии  обжига

Карбонат  кальция  интенсивно  диссоциирует  в  керамических  массах  при  температуре  900-950^оС,  выделяя  углекислый  газ,  если  в  этот  период  керамическое  тело  является  пористым  и  газопроницаемым,  то  диссоциация  карбонатов  увеличивает  лишь  пористость  обожженных  изделий,  не  вызывая  каких-либо  нарушений  их  целостности.  Если  керамическое  тело  сильно  уплотнено  до  начала  интенсивного  разложения  карбоната,  то  выделяющийся  углекислый  газ  может  явиться  причиной  образования  пузырей,  вспучивания  и  других  пороков  в  обжигаемых  изделиях.  Карбонатные  включения  в  процессе  обжига  превращаются  в  кусочки  извести,  которые  поглощая  из  воздуха  водяные  пары,  гасятся  и  превращаются  в  кусочки  гидрооксида  кальция  с  увеличением  в  объеме,  что  является  причиной  появления  на  поверхности  изделия  вздутий  («дутиков»),  а  иногда  приводит  к  полному  разрушению  изделий  [2].

Органические  вещества  в  глинах  встречаются  в  виде  примесей,  в  производстве  керамического  кирпича  их  вводят  в  качестве  топливных  добавок  (уголь,  кокс,  мазут,  древесные  опилки).  При  выгорании  органических  веществ  в  керамических  смесях  можно  различить  несколько  этапов.  При  температуре  350–400^оС  происходит  выделение  летучих  веществ  и  их  сгорание.  Коксовый  остаток  выгорает  сравнительно  медленно  при  более  высоких  температурах  –  700–800^оС.  Выгорание  коксового  остатка  должно  быть  завершено  в  период,  когда  керамическое  тело  является  пористым  и  газопроницаемым  по  всей  толщине,  чтобы  газы,  образующиеся  при  выгорании  коксового  остатка,  могли  свободно  удаляться  из  толщи  керамического  изделия.  Если  же  процесс  уплотнения  периферийной  оболочки  изделия  опережает  процесс  выгорания  коксового  остатка,  то  образующиеся  газы,  создавая  повышенное  давление  внутри  керамического  тела,  могут  вызвать  деформацию  размягченного  изделия,  а  прорывы  газов  в  отдельных  местах  приведут  к  образованию  трещин.

До  начала  образования  и  прогрессирующего  накопления  жидкой  фазы  тело  обжигаемого  изделия  находится  в  упругом  состоянии.  Его  нагрев  сопровождается  возникновением  термических  напряжений,  сжимающих  изделия  на  поверхности  становятся  растягивающими,  а  во  внутреннем  ядре  –  сжимающими.

Напряженное  состояние  и  сопутствующие  ему  деструктивные  явления  возникают  также  в  процессе  охлаждения  уже  обожженных  изделий.  На  этой  стадии  особо  опасны  два  температурных  интервала.  Первый  при  температуре  900–700^оС,  при  котором  происходит  отвердевание  стекловидной  фазы  с  переходом  тела  обожженного  изделия  из  пиропластического  состояния  в  хрупкое.  Второй  интервал  –  600–550^оС,  которому  соответствуют  модификационные  превращения  кристаллического  кварца.  Быстрое  охлаждение  в  этом  интервале  температур  приводит  к  разрыхлению  керамического  тела,  нарушению  его  монолитности  вследствие  образования  многочисленных  коротких  волосных  трещин  –  посечек,  невидимых  невооруженным  глазом;  изделие  при  ударе  издает  глухой  звук  [3]

Весь  период  нагрева  и  охлаждения  изделий  необходимо  подразделять  на  отдельные  этапы  соответственно  рассмотренным  деструктивным  процессам  и  для  каждого  назначать  локальные  температурные  режимы  скорости  нагрева  и  охлаждения  изделий,  которые  помогут  исключить  возникновение  в  изделиях  предельных  напряжений,  обусловленных  деструктивными  процессами.

Выгорание  органических  компонентов  сырьевой  смеси,  а  также  диссоциация  карбонатов  и  других  соединений,  выделяющих  летучие  газы,  должны  заканчиваться  до  начала  интенсивного  спекания  керамического  тела  во  избежание  его  вспучивания  и  разрывов.

Скорость  подъема  температуры  в  период  интенсивной  усадки  для  шихты  должно  подбираться  с  таким  расчетом,  чтобы  возникающие  в  этот  период  разрушающие  напряжения  не  приводили  к  появлению  трещин  в  обжигаемом  изделии.  При  значительном  превышении  интенсивности  внешнего  теплообмена  над  внутренним,  возможно  оплавление  поверхности  изделий.  Конечная  температура  обжига  назначается  по  результатам  испытаний  физико-технических  свойств  образцов  в  лаборатории.

Соблюдение  всех  технологических  требований  при  изготовлении  керамического  кирпича  поможет  избежать  возникновению  трещин  как  внутренних,  так  и  внешних,  что  неизменно  позволит  технологам  выпускать  керамический  кирпич  высокого  качества. 

Список  литературы:

1. Августиник  А.И.  Керамика.  изд.  2-е,  перераб.  и  доп.  –  Л.:  Стройиздат,  1975.  –  592  с.  ил.
2. Бурлаков  Г.С.  Основы  технологии  керамики  и  искусственных  пористых  заполнителей.  Учебник  для  втузов  –  М.,  «Высшая  школа»,  1972.  –  424  с.
3. Мороз  И.И.  Технология  строительной  керамики.  3-е  изд.  перераб.  и  доп.  –  М.:  ЭКОЛИТ,  2011.  –  с.  95–110.