1

CERAMIKA I SZKŁO

A. Wprowadzenie

opracowano na podstawie m.in.:

1. Krzemień E.: Materiałoznawstwo. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1999.
2. Osiecka E.: Materiały budowlane: kamień, ceramika szkło. Oficyna Wydawnicza Poli-

techniki Warszawskiej, Warszawa, 2003.

3. Praca zbiorowa pod kier. Małolepszego J.: Materiały budowlane: podstawy technologii i

metody badań. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, 2004.

4. Praca zbiorowa pod kier. Stefańczyka B.: Budownictwo ogólne. Materiały i wyroby bu-

dowlane, t. 1, Arkady, Warszawa, 2005.

1. Ceramiki i szkła należą do materiałów inżynierskich najwcześniej

stosowanych przez człowieka i charakteryzujących się największa odporno-
ścią na działanie środowiska.

Ceramika należy do najstarszych wyrobów produkowanych przez czło-

wieka. W Egipcie cegłę zwykłą stosowano 4000 lat, a kolorową 3000 lat p.n.e.
Babilończycy już w XVIII w. p.n.e. swoje wyroby pokrywali glazurą. W Grecji
w V w. p.n.e. stosowano dachówkę ceramiczną. Rzymianie przejęli od Greków
produkcję cegieł i dachówek wzbogacając asortyment wyrobów miedzy innymi
o rury ceramiczne. W Polsce już w X w. w budownictwie obok kamienia stoso-
wano ceramikę.

Materiały ceramiczne i szkła mogą mieć mniejszą wytrzymałość niż meta-

le, ale

nie mają sobie równych jeśli chodzi o odporność korozyjną i odporność

na ścieranie

. W ostatnich latach obserwuje się intensywny rozwój materiałów

ceramicznych. Na przykład narzędzia tnące z sialonu (SiAlN).

2. Materiały ceramiczne ze względu na kowalencyjny i/lub jonowy cha-

rakter wiązań są zwykle:

· twarde (ceramiki są najtwardszymi ciałami stałymi),
· o dużej wytrzymałości na ściskanie,

· kruche (mało odporne na pękanie),
· o wysokiej temperaturze topnienia,
· małej przewodności cieplnej i elektrycznej,
· o dobrej stabilności chemicznej i cieplnej.

2

Materiały ceramiczne i szła są z

natury kruche

. Zawsze obecne w tych

materiałach

wady w postaci pustek, porów lub rys

, powodują, że materiał może

ulec zniszczeniu na skutek

pękania kruchego

. Liczba wielkości i rozmieszczenie

wad są zmiennymi losowymi, a więc określenie własności mechanicznych jest
możliwe tylko metodami statystycznymi (zachowanie mechaniczne materiałów
ceramicznych jest znacznie trudniejsze do przewidzenia niż zachowanie metali.

Zależność naprężenia od odkształcenia zagęszczonego Al

2

O

3

Wpływ czasu na właściwości materiałów ceramicznych:
- w przeciwieństwie do metali wytrzymałość materiałów ceramicznych i szkieł

może się zmniejszać z upływem czasu

bez działania naprężeń cyklicznych.

Zjawisko to jest nazywane

zmęczeniem statystycznym

zależy od rodzaju śro-

dowiska,

3

- zmniejszenie wytrzymałości szkła w

wilgotnym środowisku wraz z upły-
wem czasu działania stałego obciąże-
nia,

- rola wody w powolnym wzroście

pęknięcia w ceramikach tlenko-
wych,

Częste stosowanie materiałów ceramicznych w wysokich temperaturach

w połączeniu z ich kruchością sprawia, że głównym problemem może być ich
pękanie wywołane tzw. szokiem termicznym.

Twardość i wysoka wytrzymałość na ściskanie

sprawiają, że ceramiki są

odporne na zarysowania lub wgniecenia. Dlatego mogą być stosowane do bu-
dowy łożysk.

Odporność na ścieranie rośnie wraz z twardością

i dlatego najtwardsze

materiały ceramiczne, a mianowicie: diament (C), węglik krzemu (SiC) i korund
(Al

2

O

3

) są stosowane jako materiały ścierne do cięcia, szlifowania i polerowania

metali

3. Wyróżnia się:
·

ceramiki krystaliczne

, obejmują tradycyjne krzemiany oraz wiele tlen-

ków i związków nie zawierających tlenu; są szeroko stosowane w techno-
logiach tradycyjnych i nowoczesnych,

·

szkła

są niekrystalicznymi ciałami stałymi o składzie zbliżonym do ce-

ramik krystalicznych,

4

·

tworzywa szklano-ceramiczne

(dewitryfikaty) są typem ceramik krysta-

licznych; kształtuje się je w stanie szklistym, a następnie są poddawane
obróbce mającej na celu spowodowanie krystalizacji.

5

B. Materiały ceramiczne

w budownictwie

i inżynierii środowiska

1. Określenie

Ceramiką nazywamy wyroby uformowane z glin naturalnych lub ich

mieszanin (mas plastycznych), a następnie wysuszone i wypalone lub spieczone,
w wyniku czego uzyskują na stałe twardość i odporność mechaniczną.

2. Surowce

Tradycyjne materiały ceramiczne wytwarzane są z gliny, do której dodaje

się krzemionkę oraz skaleń:

1. głównym składnikiem gliny jest kaolinit (Al

2

O

3

∙ 2SiO

2

∙ 2H

2

O), który

łącznie z wodą służy w początkowym etapie wytwarzania wyrobu jako
lepiszcze wiążące proszek materiału

2. wypełniacz, którym jest krzemionka (SiO

2

).

3. skaleń – glinokrzemian głównie potasu i sodu (K,Na)

2

O ∙ Al

2

O

3

∙ 6SiO

2

oraz wapnia CaO ∙ Al

2

O

3

∙ 2SiO

2

– spełnia rolę topnika tworzącego pod-

czas wypalania wyrobów z gliny fazę szklistą powodującą trwałe związa-
nie proszku.

Zawartość poszczególnych minerałów w typowych wyrobach z gliny

6

Przybliżone składy niektórych ceramik krzemianowych

Podział surowców stosowanych do produkcji wyrobów ceramicznych:

a) plastycze – gliny, iły, łupki ilaste itp. W zależności od stopnia plastyczności
rozróżnia się gliny i iły tłuste oraz chude (mało plastyczne). Surowce te po zaro-
bieniu wodą dają się formować, pod obciążeniem odkształcają się plastycznie.
W wyniku wypalenia nieodwracalnie tracą zdolność do odkształceń plastycz-
nych. W temperaturze 800-900°C w wyniku połączenia tlenków glinu i krzemu
powstają nowe związki nadające wyrobom odporność mechaniczną i chemiczną.

b) nieplastycze – dodatki schudzające i topniki, a także szkliwa i surowce spe-
cjalne.

Dodatki schudzające to piaski kwarcowe, łupki kwarcytowe, szamot i inne ska-
ły krzemianowe oraz popioły lotne. Surowce te ograniczają skurcz glin tłustych,
a tym samym zmniejszają ryzyko uszkodzenia wyrobów w czasie ich suszenia i
wypalania.

Topniki stosuje się w celu obniżenia temperatury spiekania mas i topienia
szkliwa. Jako topniki stosuje się najczęściej skalenie: glinokrzemiany potasu czy
sodu, rzadziej glinokrzemiany wapnia. Rolę topników spełniają również natu-
ralne domieszki występujące w surowcach, takie jak tlenki żelaza, tlenek wapnia
czy magnezu.

Szkliwo zwane także glazura, jest cienką warstwą masy szklanej naniesionej na
powierzchnie wyrobu, a następnie stopioną w odpowiedniej temperaturze.
Szkliwo tworzy na powierzchni wyrobu warstwę nieprzepuszczalną dla cieczy i
gazów, równocześnie zapewniając powierzchni gładkość i barwę.

3. Ogólna klasyfikacja ceramiki budowlanej

Podział ze względu na skład surowców:

7

· ceramika czerwona, produkowana z niskotopliwych glin żelazistych i

wapnistych z surowcami schudzającymi; temperatura wypalania jest rzę-
du 900°C; po wypaleniu uzyskuje się porowate wyroby o zabarwieniu od
kremowego do ciemnoczerwonego,

· ceramika czerwona poryzowana, otrzymywana przez dodanie do glin

składników łatwopalnych, jak np. trociny czy mączka drzewna, które w
czasie wypalania wyrobu ulegają utlenianiu, pozostawiając mikropory
zmniejszające współczynnik przewodności cieplnej wyrobu,

· klinkier, otrzymywany zwykle z glin jednego gatunku lub mieszanin glin

z dodatkami schudzającymi; po spieczeniu w temperaturze 1150-1250°C
uzyskuje się wyroby o bardzo małej nasiąkliwości i dużej wytrzymałości,

· kamionka, wytwarzana z glin kamionkowych z dodatkiem z materiałów

schudzających i topników; po spieczeniu w temperaturze 1160-1300°C
otrzymuje się wyroby o dużej wytrzymałości, barwy od ciemnoczerwonej
do brązowej, które są zwykle szkliwione,

· ceramika ogniotrwała, otrzymywana z glin ogniotrwałych z dodatkiem

surowców mineralnych; w zależności od rodzaju dodatków otrzymuje się
wyroby szamotowe, krzemionkowe, magnezytowe i inne; wyroby te cha-
rakteryzują się wysoką ogniotrwałością, ich temperatura topnienia prze-
kracza zwykle 1580°C,

· fajans, produkowany z biało wypalających się glin w temperaturze około

1350°C, z domieszką skaleni lub kwarcu; wyroby fajansowe są szkliwio-
ne,

· porcelana, wytwarzana z kaolinu, kwarcu i skaleni; po spieczeniu czerep

w kolorze białym charakteryzuje się zwartością i dużą odpornością me-
chaniczną, wyroby porcelanowe są szkliwione,

· porcelit, otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ila-

ste, kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione.

Podział ze względu na strukturę:

· wyroby o czerepie porowatym, o porowatości do 22%, zwane ceramiką

czerwoną; do grupy tej zalicza się między innymi:
- wyroby ceglarskie, jak cegły pełne, kratówki i dziurawki, pustaki
ścienne i stropowe, pustaki do przewodów kominowych, dachówki i gą-
siory, rurki drenarskie,
- wyroby szkliwione, jak np. kafle, płytki ścienne, i elewacyjne,
- wyroby ogniotrwałe, jak cegły i kształtki szamotowe, krzemionkowe,
czy dolomitowe,

· wyroby o strukturze spieczonej, o nasiąkliwości zwykle ok. 6%, a mak-

symalnie do 13%, do których zalicza się cegły kominowe, klinkier dro-
gowy, płytki klinkierowe, kamionkowe rury i kształtki kanalizacyjne,
płytki kamionkowe,

· wyroby z ceramiki półszlachetnej, do których zalicza się:

8

- wyroby fajansowe, np. płytki ścienne,
- wyroby sanitarne, jak umywalki itd.,

· wyroby z ceramiki szlachetnej, np. porcelanowe.

Podział w zależności od technologii wytwarzania i funkcji użytkowych

4. Produkcja wyrobów ceramicznych

Zasadnicze etapy procesów technologicznych (wspólne dla wszystkich wyro-
bów):

· przygotowanie mas;
- masy lejne,
- masy plastyczne,

9

- masy sypkie,
· formowanie;
· suszenie i wypalanie;
Proces wypalania przebiega w kilku fazach:
- w pierwszej fazie (w strefie podgrzewania)
- w drugiej fazie (w strefie wypalania),
- fazie spiekania,

5. Wady i zalety wyrobów ceramicznych

Wady spowodowane zanieczyszczeniem surowców:

· węglan wapnia,
· siarczki,
· sole rozpuszczalne w wodzie,

· zanieczyszczenia mechaniczne i organiczne.

Wady produkcyjne mogą powstać na skutek błędów popełnionych:

· na etapie przygotowania masy,
· na etapie formowania wyrobów:
- struktura pasmowa,
- struktura S,
- struktura spiralna,
- zadziory,

· na etapie suszenia półfabrykatów:
- spękania na powierzchni,
- deformacje wyrobu,
- pęcherze lub odpryski na powierzchni,
- siatka włoskowatych rys na powierzchni,
- rysy promieniste,

· na etapie wypalania półfabrykatów:
- spękania i zarysowania,
- spęcznienie i spękania,
- niedopalenie czerepu,
- przepalenie czerepu,
- zarysowania włoskowate.