TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH – LABORATORIUM		2010/2011
Katarzyna Plebanek, Krzysztof Szpak, Dariusz Gałek		Rok III	Grupa 2
Numer Ćwiczenia 1	WPŁYW DOMIESZEK NA WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW CERAMICZNYCH FORMOWANYCH METODĄ PLASTYCZNĄ (KOSTKI, CEGIEŁKI)	Ocena

Surowce ceramiczne

Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji mineralnych, czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Współcześnie do ceramiki zalicza się niekiedy wszystkie te materiały, które nie są metalami, polimerami lub kompozytami, a więc również substancje nieorganiczne (do ważnych materiałów należą półprzewodniki: german, krzem), organiczne, beton, diament, a nawet lód. Ze względu na rodzaj występujących wiązań chemicznych rozróżnia się ceramikę jonową i kowalencyjną. Materiały ceramiczne mogą być krystaliczne, częściowo krystaliczne lub amorficzne (szkła ceramiczne). Niekiedy osobno wymienia się szkło, aczkolwiek na ogół uznaje się je za podgrupę ceramiki.

Wyroby ceramiczne są otrzymywane głównie z dobrze rozdrobnionych surowców, takich jak glina, kaolin, kwarc, skalenie oraz tlenki metali wymieszanych z wodą. Po uformowaniu i wysuszeniu wyroby wypala się w specjalnych piecach w temperaturze od 900°C do 2000°C (zależy to od użytych materiałów). W trakcie procesu wypalania glina zmienia się w twardy czerep, dzięki czemu wyroby zachowują swój kształt. Materiały ceramiczne cechuje duża twardość oraz odporność na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych.

Materiały ceramiczne wytwarza się z masy ceramicznej w skład, której wchodzą:

• materiały plastyczne (gliny, kaoliny) ułatwiające formowanie,

• materiały schładzające (piasek) zmniejszające kurczliwość podczas suszenia i wypalania,

• topniki, które ułatwiają proces wiązania cząstek.

Jako ceramiczne surowce ilaste stosuje się skały ilaste o różnym składzie mineralnym, zróżnicowane wiekowo i genetycznie. Iły ceramiczne ceramiki szlachetnej to przede wszystkim:

1. Surowce kaolinowe – są skałami powstałymi w wyniku wietrzenia skał magmowych, metamorficznych, niekiedy osadowych. Składają się z kaolinitu ( %), kwarcu ( %), jasnych łuszczyków, illitu oraz innych materiałów odpornych na wietrzenie (cyrkon, rutyl).

2. Iły biało wypalające się – iły (gliny) biało wypalające się po wypaleniu w temperaturze 1300°C mają stopień białości co najmniej 50%, a po wypaleniu w temperaturze 1200°C co najmniej 60%. Są to iły fajansowe i porcelitowe stanowiące podstawowy surowiec w przemyśle ceramiki szlachetnej.

3. Iły kamionkowe – iłami kamionkowymi nazywane są plastyczne skały ilaste dobrze spiekające się w zakresie temperatur . Po wypaleniu dają tworzywo ceramiczne o czerepie spieczonym, odznaczające się mała nasiąkliwością oraz dużą odpornością na działanie czynników mechanicznych i chemicznych. Wśród iłów kamionkowych wyróżnia się odmiany bardzo plastyczne i plastyczne oraz ogniotrwałe i nieogniotrwałe.

4. Bentonity – skały bentonitowe mają wiele specyficznych własności, jak: wysoki stopień dyspersji, duża powierzchnia właściwa, zdolność pęcznienia, zdolność tworzenia zawiesin tiksotropowych, plastyczność i inne dlatego wykorzystywane sa w przemyśle ceramicznym ( do uplastyczniania mas ceramicznych).

W przemyśle ceramiki budowlanej stosowane są różnorodne surowce ilaste:

1. surowce czwartorzędowe:

   • iły i gliny aluwialne (holoceńskie, plejstoceńskie);

   • lessy i gliny lessowe;

   • iły i mułki zastoiskowe;

   • iły elbląskie (yoldiowe);

   • gliny zwałowe.

2. surowce trzeciorzędowe:

   • iły mio-plioceńskie (serii poznańskiej);

   • iły mioceńskie pochodzenia morskiego;

   • iły oligoceńskie (septariowe);

   • iłołupki fliszu karpackiego;

3. surowce starszych formacji:

   • iły i iłołupki kredowe;

   • iły jurajskie (doggerskie i liasowe);

   • iły triasowe (głównie retyku i kajpru);

   • iły permskie;

   • iły i iłołupki karbońskie;

   • iłowce kambrskie.

Wyroby ceramiczne ze względu na rodzaj użytego do produkcji tworzywa i wynikające z tego zastosowanie możemy podzielić na:

1. wyroby ceglarskie (ceramika budowlana) – produkowane ze zwykłych glin ceglarskich, powszechnie występujących w kraju; należą do nich wyroby murowe (cegły, pustaki zwykłe i poryzowane, cegły i kształtki klinkierowe), wyroby stropowe (pustaki Ackermana, Fert, Ceram), wyroby dekarskie (dachówki, gąsiory), wyroby specjalne (pustaki wentylacyjne i dymowe, klinkierowe płytki posadzkowe i ścienne), wyroby drenarskie (rurki drenarskie); mają czerep spieczony (wyroby klinkierowe) lub porowaty (pozostałe),

2. wyroby kamionkowe – produkowane z glin kamionkowych o stosunkowo dużej temperaturze topnienia oraz dobrze spiekające się w procesie wypalania (mają małą porowatość i nasiąkliwość); są to rury i kształtki kanalizacyjne oraz płytki posadzkowe i ścienne (okładzinowe); mają czerep spieczony,

3. wyroby fajansowe, porcelanowe i półporcelanowe (porcelitowe)- produkowane z jasno wypalających się glin (tzw. glin fajansowych), kaolinów, skaleni oraz domieszek innych komponentów; są to wyroby sanitarne (m.in. umywalki, zlewozmywaki, miski ustępowe) oraz płytki okładzinowe; mają czerep porowaty (fajans) lub spieczony (porcelana, porcelit),

4. wyroby ogniotrwałe o czerepie spieczonym lub porowatym, otrzymywane z surowców mineralnych dobranych do środowiska, w którym będą zastosowane, np. wyroby szamotowe (z glin ogniotrwałych i szamotu), krzemionkowe (z kwarcytu), korundowe (z boksytu), magnezytowe (z magnezytu), dolomitowe (z dolomitu), chromitowe (z chromitu); odporne na działanie temperatury powyżej +1580°C, na obciążenia dynamiczne i działanie czynników chemicznych; stosowane w postaci cegieł, kształtek i zapraw do budowy pieców hutniczych, szklarskich, ceramicznych itp.

Wpływ domieszek szkodliwych na własności wyrobów ceramicznych

Szkodliwe składniki występujące w stanie naturalnym w iłach i glinach służących do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej możemy podzielić na trzy zasadnicze grupy:

• mechaniczne, stanowiące ziarna i okruchy skał o średnicy większej od 2 mm,

• organicze, czyli czesci korzeni i pozostałości roslinne, zbutwiałe i zwęglone (węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf itp.),

• chemiczne, do których zalicza sie węglany, siarczany i siarczki.

Zanieczyszczenia mechaniczne się w utworach karbońskich swojej twardosci i wielkości ziarn oraz skurczliwości wysychania i wypalania odmmiocenu – jako zwęglone masy surowcowe, kawałki roślin surowcach plmiocenu – jakoaszczątkiaroślin i przewarstwienia wę, kwarcowych, wapiennych i odłamków skamielin, syderytów, przerostów piaskowców, mułowców itp. Domieszki te utrudniają w procesie technologicznym formowanie i suszenie wyrobów, a po wypaleniu tworzą w czerepie rysy i spękania spowodowane różnicą ich rozszerzalności termicznej w stosunku do pozostałej masy czerepu. Z tych względów należy je usunąc z surowca lub rozdrobnić do granulacji poniżej 2 mm.

Domieszki organiczne spotyka się w utworach karbońskich jako przewarstwienia węgla kamiennego i okruchów roślinnych, w utworach liasu i miocenu – jako zwęglone okruchy i kawałki roślin, a utworach miocenu – jako szczątki roślin i przewarstwienia węgla brunatnego. Niemal we wszystkich złożach surowców plastycznych ceramiki czerwonej spotyka się w stropie zbutwiałe resztki roślin i korzenie.

Zanieczyszczenia chemiczne w surowcach ilastych zalicza się do najbardziej szkodliwych domieszek. Obejmują one węglany wapnia, magnezu, żelaza oraz Związki siarki: nierozpuszczalne siarczki (piryt i markazyt) i rozpuszczalne sole siarczanowe. Węglany występują w surowcach ilastych przeważnie w postaci kalcytu, dolomitu i magnezytu, natomiast rzadko w postaci aragonitu lub syderytu. Kalcyt występujący w surowcach plastycznych pochodzi albo z roztartego podczas transportu materiału skalnego, albo z wtórnej krystalizacji z roztworów wodnych kwaśnego węglanu wapniowego w zbiornikach, w których w drodze sedymentacji następowało osadzanie surowca ilastego. W surowcach plastycznych występuje także często kalcyt pochodzenia organicznego w postaci okruchów morskiej fauny, której szkielety zbudowane są z wapienia.

Domieszki dolomitu powstają jako wtórne produkty dolomityzacji wapieni znajdujących się w osadach ilastych, zaś magnezyt pochodzi z krystalizacji z roztworów w zamkniętych zbiornikach wodnych zasobnych w kation magnezowy. Syderyt na ogół występuje w niewielkich ilościach w surowcach ilastych, często w obecności pirytu. Spotyka się go w skalach ilastych, które powstawały w środowisku umiarkowanie redukującym, zasobnym w dwutlenek węgla (np. iły jurajskie). Występują one również w większych ilościach w niektórych iłołupkach karbońskich. Okruchy wapienne o średnicy powyżej 0.5 mm występujące w surowcach plastycznych potocznie nazywa się „marglami”. Nie należy tego pojęcia utożsamiać z marglem w znaczeniu petrograficznym. Ogólnie margle dzieli się na dwa rodzaje: pierwotne i wtórne. Do margli pierwotnych zalicza się piasek i żwir wapienny występujący w glinach zwałowych w ilości %; skamieliny i okruchy skamielin występujące w osadach jurajskich; konkrecje syderytowo-kalcytowe w osadach oligoceńskich itp. Margiel wtórny występuje w nielicznych tylko złożach surowców plastycznych. Wyróżnia się trzy rodzaje marglu wtórnego:

• konkrecje wypierające, zawierające do 90% czystego CaCO₃ i w związku z tym bardzo szkodliwe. Spotyka sieje w surowcach bardzo plastycznych,

• konkrecje metasomatyczne, zawierające do 80% CaCO₃. Składają się one poza kalcytem z ziarn dendrytycznego kwarcu i minimalnej ilości minerałów ilastych. Występują w surowcach średnio plastycznych, np. iłach zastoiskowych,

• konkrecje cementujace zawierajace najmniej CaCO₃. Kalcyt stanowi w nich jedynie spoiwo łączące ziarna surowca.

Konkrecje cementujace ze szkodliwymi składnikami zarówno jako zanieczyszczenia chemiczne, jak również jako domieszki mechaniczne o dużej twardości. Spotyka się je przeważnie w surowcach ilastych mało plastycznych, jak mułki, lessy itp.

Konkrecje wtórne występują zazwyczaj w postaci ziarn marglu o wielkościach wahających się. w granicach cm. Powstawanie marglu wtórnego w złożach ilastych jest związane z procesem wietrzenia skał zawierających wapień, wydzielenia węglanu i przenoszenia go w postaci rozpuszczalnego, kwaśnego węglanu wapniowego do innego środowiska, w którym następuje jego strącanie w różnych postaciach.

Przebieg ćwiczenia

Składy mas plastycznych:

1. WR-0 – 100% surowca ilastego z Woli Rzędzińskiej.

2. WR-PK – 70% WR, 30% piasek kwarcowy.

3. WR-WW1 – 90% WR, 10% węglan wapniowy o uziarnieniu <0,5 mm.

Rodzaje i ilości próbek:

• kostki o wymiarach 40 mm x 40 mm x 40 mm (6 sztuk),

• cegiełki o wymiarach 65 mm x 35 mm x 10 mm (6 sztuk). ^{1250g suchych składników}

Do utworzenia masy zużyto 1125g, oraz 125g węglanu wapniowego o uziarnieniu <0,5 mm.

Skurczliwość obliczono wykorzystując poniższe wzory:

S_w= % – skurczliwość wypalania (1)

S_s= % – skurczliwość suszenia (2)

S_c= % – skurczliwość całkowita (3)

(4)

Oznaczenia badanych próbek oraz ich przeznaczenie do badań przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Oznaczenie badanych próbek

Absorpcję na zimno i na gorąco obliczono odpowiednio wg wzorów (5) i (6):

% (5)

% (6)

Nacisk działający na kostkę wyliczono wg wzoru (7):

(7)

Na cegiełce z oznaczeniem WR-WW1 (próbka 1) stwierdzono obecność siarczanu magnezowego (brak nalotu).

Wnioski

Cegiełki. Cegiełki po procesie wypalania zmieniły swoją barwę – stała się jednolita; a także zmieniła się plastyczność. Na przygotowanych próbkach nie zaobserwowano jakichkolwiek większych uszkodzeń mechanicznych (dużych pęknięć itp.), jedynie niewielkie płytkie spękania. Eliminacja wody zarobowej odbyła się w dwóch fazach: suszenia oraz wypalania; po każdym z tych procesów zaobserwowano ubytek masy (odparowanie wody). Początkowa długość znaczników (50 mm) po wypalaniu uległa również zmianie (zaobserwowano w ten sposób skurczliwość próbek), jak i również zmianom uległy: objętość i gęstość.

Próbki poddane absorpcji na zimno wykazują mniejszą chłonność wody (gorąca woda jest większym stopniu chłonięta przez otrzymane wyroby). Na cegiełce z oznaczeniem WR-WW1 (próbka 1) stwierdzono obecność siarczanu magnezowego (brak nalotu).

Kostki. Próbki przygotowano z masy ceramicznej o składzie: WR-WW1 – 90% surowca ilastego z Woli Rzędzińskiej , 10% popiół lotny, węglan wapniowy o uziarnieniu <0,5 mm. Z dokładnie wyrobionej masy plastycznej, wykonano próbki o kształcie:

• kostkek (wymiary 40 x 40 x 40)

• cegiełek (wymiary 65 x 35 x 10)

Utworzone próbki oznaczono i zważono, a następnie pozostawiono do wyschnięcia i ponownie zważono – masa w stanie suchym (m_s). Po wysuszeniu kostki i cegiełki wypalono a następnie zważono – masa po wypaleniu (m_w).

Wypalone wyroby (kostki) charakteryzują się jednolitą barwą oraz większą twardością (nie są już plastyczne). Na próbkach nie zaobserwowano poważnych uszkodzeń mechanicznych, jedynie tylko niewielkie spękania. Eliminacja wody zarobowej odbyła się w dwóch fazach: suszenia oraz wypalania; po każdym z tych procesów zaobserwowano ubytek masy (odparowanie wody). Rozmiary wyrobów po wypalaniu uległy również zmianie (zaobserwowano w ten sposób skurczliwość próbek), jak i również zmianom uległa gęstość.

Kostki o nr poddano badaniom wytrzymałościowym. W oparciu o wyniki próby wytrzymałościowej wyznaczono wytrzymałość próbek:

• nr 1 – 31,799 MPa,

• nr 2 – 31,407 MPa,

• nr 3 – 33,557 MPa,

• nr 4 – 25,857 MPa,

• nr 5 – 34,345 MPa.