Изделия из керамики и их применение в строительстве.
Художественная керамика.
Древнейший материал керамика появился на заре цивилизации – середине каменного века. Сначала он использовался для бытовых изделий, в дальнейшем становился строительным материалом, а затем – одним из основных материалов для нужд многих отраслей промышленности, науки и техники. Особенно значительно его место в строительстве, архитектуре, монументально-декоративном и декоративно-прикладном искусстве.
Древнюю керамику археологи находят в Европе, Азии, Африке и Америке. Высокого развития искусство «глины и огня» (как называют иногда керамику)
Достигло в Древнем Египте, Мессопотамии, в Древней Греции, на Крите.
Вавилоняне умели покрывать кирпичи цветной глазурью и использовали глиняные плитки для написания текстов и создания рисунков. Большое внимание керамике уделяли в древних Индии, Японии, Китае, Корее.
Искусство декорирования и облагораживания глиняного черепка достигло здесь совершенства.
Керамические изделия применялись также в архитектуре Владимира, Суздаля, Углича. Шедеврами русского кирпичного зодчества стала церковь в селе Коломенском под Москвой и Покровский собор (храм Василия Блаженного) в Москве, возведенные из кирпича.
Керамическими плитками, покрытыми глазурью и узорами, гладкими и рельефными, так называемыми кахлями (в России – изразцами), еще в XI-XII вв.
Облицовывали внутренние стены и полы. Позднее они изготовлялись в украинском местечке Опишня, называемым « Афинами украинской керамики ».
Богатство форм, обогащение декора орнаментом, использование глазурей и ангобов, применение штампов, освоение ножного гончарного круга – таков путь развития украинской керамики. Традиции народного искусства являются неиссякаемым источником совершенствования художественной керамики по сей день.
В России, на Украине, в Прибалтике при возведении кремлей, крепостных стен, церквей и жилых домов кирпич часто применялся в сочетании с отделочной керамикой (изразцы, майолики, терракота).
Появление высококачественных видов керамики – фарфора и фаянса – расширило возможности прикладного искусства. В 1744 г. В России был основан первый фарфоровый завод. Честь создания отечественного фарфора принадлежит талантливому русскому ученому-керамику Д. И. Виноградову.
Керамика сегодня – это не только строительные и отделочные материалы, но и огнеупоры для обжиговых печей, сопла ракетных двигателей, топливные стержни ядерных реакторов, изоляторы линий электропередач и т.д. Производство керамики превратилось в одну из развитых механизированных отраслей промышленности. Созданы поточно-автоматизированные конвейерные линии, осуществлен переход основных предприятий керамической промышленности на прогрессивный шликерный способ изготовления сырьевой массы, позволяющей сократить технологический процесс на 50-70 минут (время изготовления керамических плиток 80-100 часов) с переходом на одноразовый обжиг. Условия скоростного обжига предъявили новые требования к качеству керамических масс и глазурей, поставили вопрос о снижении температуры обжига.
Использование местного сырья, освоение новых видов глазурей, сокращение времени технологического цикла – таковы пути повышения экономического эффекта производства керамики.
Керамика прочно вошла в интерьер общественных, промышленных и жилых зданий.
Это наиболее распространенный и дешевый материал для выполнения декоративных работ.
Изделия из керамики и их применение в строительстве.
В интерьере жилых, общественных и промышленных зданий применяется архитектурно-строительная и сантехническая керамика.
Конструкционная архитектурно-строительная керамика – это изделия, служащий для устройства стен, перегородок и декоративных стенок: кирпич глиняный обыкновенный, кирпич строительный легкий, камни керамические, кирпичи и камни лицевые с офактуренной поверхностью, сплошные, пустотелые, гладкие, рифленые и профильные.
Отделочная керамика – это материалы для отделки поверхностей внутренних и наружных: плиты и плитки облицовочные, мозаика, керамические изделия для полов, архитектурно-художественные изделия.
Сравнительно новый вид керамических изделий, получивших распространение в последнее время в архитектуре, в том числе и в интерьерах – объемная декоративная керамика. Это керамическая скульптура, вазы, капшо.
б) Сантехническая керамика по своей форме является продуктом дизайна. Изделия изготавливаются из фарфора и фаянса. Встроенные керамические изделия, вешалки, полочки, крючки, сантехническое оборудование, вентиляционные решетки используют при решении бытового интерьера. Сантехническую керамику обязательно покрывают цветными или белыми глазурями.
Увеличение в последние годы выпуска керамических изделий вызвано их экономическим преимуществом перед другими материалами и распространенностью сырьевой базы. По долговечности и устойчивости цвета керамика фактически не имеет соперников среди других строительных материалов. В отделке интерьеров этот материал позволяет создавать самые разнообразные декоративные композиции. Определен круг помещений, функциональное назначение которых требует применение того или иного вида керамики. Это объекты промышленного и гражданского назначения, к которым предъявляют требования устойчивости к повышенной влажности (прачечные, бани, лечебные помещения), особой гигиеничности (объекты общественного питания, детские учреждения), повышенной огнеустойчивости (промышленные предприятия), повышенной химической устойчивости (лаборатории, научно-исследовательские пункты), повышенной прочности (переходы в метро) и т.д. Выбор вида керамики для интерьера должен соответствовать не только функциональному назначению помещения, но и его архитектурным формам, общему композиционному решению, а также материалам, используемых в данном интерьере. Керамические изделия, применяемые в интерьерах, должны отличаться высоким художественным уровнем решения формы и декора. Недостатком изделий из керамики является их относительная хрупкость.
Роль керамики в строительстве
Производство строительных материалов с каждым годом растёт. Увеличение темпов строительства и новые, всё возрастающие требования к строительным материалам и изделиям являются основной движущей силой модернизации промышленности строительных материалов. В число главных задач модернизации производств входит: получение высококачественной продукции при минимальных затратах; разработка новых строительных материалов с заранее прогнозируемыми свойствами, отвечающих требованиям, предъявляемым к современным строительным изделиям; активное использование экологически чистых материалов и технологий производства [1].
Керамические материалы и изделия приобрели большую популярность в современном строительстве. Долговечность, экологичность, огнестойкость, разнообразие свойств и типов изделий позволяет использовать керамические материалы в различных областях строительства: для возведения стен, облицовки наружных и внутренних помещений, теплоизоляции тепловых агрегатов, прокладки канализации керамическими трубами, заполнения полостей и создания лёгких бетонов на основе лёгких пористых заполнителей, а также для облицовки аппаратов химической промышленности и декоративно-художественной отделки. Помимо значительных преимуществ, применяемые в строительстве керамические материалы имеют и недостатки, такие как сравнительно высокая стоимость и сложность укладки.
Целью данной работы является анализ основных разновидностей керамических строительных материалов и специфики их применения.
Классификация керамических строительных материалов и изделий
Свойства готовых керамических изделий определяются многими факторами, среди которых состав шихты, метод переработки, и в особенности условия обжига – температура, время обжига, тип газовой среды. Сам материал (тело), из которого и состоят готовые керамические изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком или просто черепком. Классификация строительных керамических материалов и изделий может осуществляться по структуре черепка или по их конструктивному назначению [2].
По структуре черепка различают изделия с пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тонкой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5 %, обычно такой черепок пропускает воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5 %, как правило, он водонепроницаем.
Изделия из грубой керамики имеют макронеоднородный черепок, у которого на изломе хорошо видно зернистое строение. Кирпичи, черепица, канализационные трубы и большинство других строительных изделий из керамики относятся именно к грубой керамике.
У изделий тонкой керамики излом черепка имеет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором [3].
По конструктивному назначению различают следующие группы строительной керамики: стеновые изделия; фасадные изделия; изделия для внутренней облицовки стен; плитки для облицовки пола; изделия для кровли и перекрытий; изделия для подземных коммуникаций; теплоизоляционные изделия; кислотоупорные и термостойкие изделия; огнеупоры.
Стеновые керамические материалы и изделия
Стеновые керамические материалы весьма разнообразны – помимо традиционных керамических кирпичей (называемых также обыкновенными), существуют и эффективные керамические материалы – лёгкие, пористые и пустотелые кирпичи, плиты и блоки, а также готовые панели из кирпича и крупногабаритные блоки.
Керамические кирпичи и камни изготовляют из легкоплавких глин с добавками или без них и применяются для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков, которые применяют для повышения индустриальности строительства [4, 5].
Керамические кирпичи используются для строительства домов и коммерческих зданий, а также для кладки из-за их прочности и визуальной привлекательности. Кирпичи могут быть изготавлены по экологически чистым технологиям, на их основе могут быть легко собраны конструкции различных форм и размеров, они не будут гореть, плавиться, деформироваться, гнить, ржаветь или повреждаться насекомыми. Кирпичные дома лучше защищены от погодных явлений, таких как грозы, ураганы и высокая влажность, чем дома, построенные из дерева и винила или фиброцементного сайдинга.
Панели и блоки из кирпича производят в горизонтальном положении с применением специальной металлической формы, обеспечивающей хорошую прочность готовой конструкции и приятный внешний вид. Применение эффективных стеновых керамических изделий позволяет обеспечить высокий уровень тепло- и звукоизоляции при снижении толщины стен, значительно сократить транспортные расходы за счёт низкого кажущегося веса готовых изделий и существенно уменьшить нагрузки на фундамент здания [5].
Облицовочные керамические изделия
Активное применение облицовочных изделий из керамики для отделки зданий обеспечивает не только привлекательный внешний вид, но и эффективную защиту от загрязнений, различных агрессивных веществ и негативных факторов окружающей среды (снега, дождя, ультрафиолетового излучения и т.п.) [6].
В помещении керамическая плитка используется для покрытия полов, стен, кухонных столешниц и стен (например, в тосканском стиле) и каминов. Плитка – это очень прочный и гигиеничный строительный материал, который придает эстетический внешний вид любой поверхности. В дизайне интерьера плитки также применяют, чтобы сформировать мозаику и настенные росписи как форму искусства и художественного оформления. На открытом воздухе керамическая плитка в основном используется для мощения террас, патио, лестниц, подъездов, проезжей части и у бассейна.
Облицовка стен производится двумя основными типами плиток – майоликовыми и фаянсовыми. Для производства майоликовой плитки используются красножгущие глины, а готовые плитки покрывают глазурью. При изготовлении фаянсовых плиток применяют смесь из полевого шпата, каолина и кварцевого песка. Пористый черепок обеспечивает хорошее сцепление готового изделия с клеющим составом, а также уменьшает вес плитки, глазурь способствует созданию эстетичного внешнего вида и гигиеничности [7].
Плитки с пористым черепком нельзя применять в наших климатических условиях для наружной отделки из-за низкой морозостойкости. Для настилки полов они также абсолютно непригодны, так как пористый черепок впитывает жидкости, что служит источником биокоррозии. Кроме того, пористый черепок имеет пониженную прочность и износостойкость.
Однако за счет введения добавок, позволяющих формировать мелкопористую структуру и получать самоглазурование поверхности возможно наружное применение плиток с пористым черепком и использование для их производства низкокачественных глин [8–10].
Керамические изделия для кровли и перекрытий
Керамическая черепица в качестве основного материала для кровли широко распространена в теплых регионах, особенно в европейских странах, как экономичный, долговечный кровельный материал для архитектурной элегантности и для обеспечения надлежащего водного барьера от сильных осадков и хорошей изоляции от солнца. Это объясняется хорошей устойчивостью черепицы к атмосферным воздействиям, доступностью сырья и относительно простой технологией производства. Высокая долговечность, которая может достигать 300 лет, огнестойкость, и привлекательный внешний вид сделали керамическую черепицу одним из наиболее эффективных строительных материалов [11].
Наиболее существенным недостатком, сдерживающим применение черепицы из керамики, является большой вес готовой кровли, что приводит к необходимости увеличения прочности перекрытия крыши. Также большой вес черепицы усложняет кровельные работы, а конструкция изделия требует значительного (больше 30 °) уклона крыши, что ограничивает возможные архитектурные решения [12].
Применение пустотелых камней и плит для обустройства перекрытий имеет значительные преимущества. Керамические камни имеют высокую тепло- и огнестойкость, хорошую звукоизоляцию, био- и коррозионную стойкость. При обустройстве конструкций из керамических плит обеспечивается малый расход цемента и стали, а также не требуется дополнительная засыпка пустот. Благодаря высокой пустотности, колеблющейся в пределах от 50 % до 80 %, керамические камни и плиты имеют малую массу и дёшевы в производстве [13].
Изделия для подземных коммуникаций
Для прокладки подземных коммуникаций используются канализационные и дренажные трубы из керамики. Основной областью применения дренажных труб являются системы водоотведения для снижения уровня грунтовых вод, в сельском хозяйстве, при возведении различных сооружений и дорожных работах. Отличительной особенностью дренажных труб является пористый черепок с водопоглощением не более 18 % [14].
Основным отличием керамических канализационных труб является плотный, водонепроницаемый черепок, обладающий высокой химической стойкостью (кислотостойкость ˃90 %). Данные свойства обеспечиваются химически стойкой глазурью, которой покрываются как внутренняя, так и наружная поверхности трубы. Но при этом черепок труб отличается высокой хрупкостью. Основное сырье для производства данных труб – тугоплавкие или огнеупорные глины, к которым в качестве отощителя добавляют шамот, полученный из тугоплавких глин. Главным предназначением керамических канализационных труб является отвод жидких отходов в сельском хозяйстве и промышленности [15].
Активное применение изделий из теплоизоляционной керамики позволяет значительно снизить затраты топлива и электроэнергии на нагрев и поддержание температуры в жилых и производственных помещениях. Использование теплоизоляционной керамики для футеровки печей, трубопроводов и другого высокотемпературного оборудования способствует не только экономической эффективности производств, но и созданию комфортных условий труда [16].
Высокая эффективность керамических теплоизоляционных изделий обусловлена не только низкой теплопроводностью и негорючестью, но также малой плотностью, негигроскопичностью и коррозионной стойкостью.
Для строительной теплоизоляции наиболее широко используются пенодиатомитовые, диатомитовые и трепельные, перлито – и вермикулитокерамические изделия, аглопорит и керамзит. Применяются они в виде плит блоков, кирпича, скорлуп и сегментов, а также в виде щебня и гравия. Так, пенодиатомитовые камни и блоки применяются в виде теплоизоляционных вкладышей при многоэтажном строительстве из кирпича с целью уменьшения толщины стен и обеспечения требуемых теплотехнических качеств. С применением трепела или выгорающих добавок могут быть получены энергоэффективные керамические материалы, которые за счет самоглазурования поверхности могут применяться в качестве лицевых изделий для наружной облицовки [17, 18]. Применение укрупненных камней, обеспечивает экономичность и высокую технологичность строительного процесса, позволяя в первую очередь сократить сроки строительства [19].
Кислотоупорные керамические изделия пользуются большой популярностью в современном строительстве. Кислотоупорная керамика устойчива не только к кислотам, но и к другим химическим реактивам, что способствует её активному применению не только в химической но, и в пищевой, медицинской и металлургической отраслях промышленности. Плотная структура изделий обеспечивает не только кислотостойкость, но и газонепроницаемость, высокую плотность, диэлектрическую прочность, и низкий коэффициент температурного расширения [20]. Кислотоупорность, прочность и морозостойкость керамики могут быть повышены путем жидкофазного спекания с остекловыванием поверхности частиц при использовании плавней и химически стойких стеклообразующих добавок [21].
Одним из наиболее широко применяемых и востребованных в строительстве кислотоупорных материалов является клинкерная плитка, применяемая, преимущественно, для отделки фасадов разнообразных зданий. Среди основных достоинств данного материала можно отметить низкие показатели водопоглощения за счет мелкопористой структуры. Также важными достоинствами считаются долговечность, морозостойкость, высокая прочность, устойчивость к кислотным дождям и прочим негативным факторам [22]. При всех положительных свойствах керамики высокой кислотостойкости, у нее есть такой недостаток как высокая цена.
Термостойкая и огнеупорная керамика
Термостойкая керамика выделяется уникальным комплексом свойств, сочетая в себе высокую химическую стойкость, прочность и твёрдость. Но основным отличительным признаком термостойкой керамики является способность многократно выдерживать циклы нагрева и охлаждения. Другие типы керамических материалов быстро разрушаются при резком нагреве или охлаждении. Но термостойкая керамика, благодаря специально подобранному составу шихты и режиму термообработки, позволяет значительно снизить внутренние напряжения, возникающие в изделии во время резкого охлаждения/нагрева. Термостойкие керамические изделия наиболее широко применяются для ответственных деталей в авиакосмической, машиностроительной, автомобильной, радиоэлектронной и энергетической отраслях промышленности. Термостойкую плитку применяют для футеровки каминов, дымоходов, печей для кремации, облицовки кухонных фартуков и помещений металлургической промышленности. Помимо плитки из термостойкой керамики изготавливают фасонные изделия – уголки, трубы для дымоходов, а также сковороды, кофеварки и другую кухонную утварь. Термостойкую керамику получают в основном путем спекания оксидов, карбидов, нитридов и других бескислородных соединений алюминия, лития, циркония и др. металлов, но существуют составы шихты позволяющие повысить термостойкость керамики на основе глин низкой пластичности за счет введения флюсующе-упрочняющих добавок и оксида церия [23].
К огнеупорным относят материалы, способные в течение длительного времени выдерживать без разрушения и значительной потери механических свойств воздействие высоких (˃1580 °С) температур, а также расплавов, раскалённых газов, шлаков и т.п.
Изделия из огнеупорных материалов применяют при кладке промышленных печей, топок, дымоходов и других тепловых агрегатов, работающих при высоких температурах. Поэтому помимо высокой огнеупорности, механической прочности и термостойкости они должны обладать низким коэффициентом температурного расширения, устойчивостью к высокотемпературным расплавам и шлакам, газонепроницаемостью и стойкостью к истиранию [24]. Классификация огнеупорных материалов представлена в таблице [25].