Свойства керамических материалов и изделий

К керамическим материалам предъявляются различные требования соответственно тем воздействиям, которые они испытывают при использовании их в строительстве. В связи с этим необходимо знать основные свойства керамического материала и пути их регулирования в процессе изготовления различных керамических изделий.

Водопоглощение керамических материалов характеризует количественную величину их пористости и соответственно степень спекания, которая в свою очередь влияет на многие рабочие свойства изделий строительной керамики: морозостойкость, паро- и воздухопроницаемость, сцепление с раствором, загрязняемость и др. Диапазон этого показателя для изделий строительной керамики в зависимости от их вида и назначения довольно велик—от 1-30%.

Предел прочности при сжатии R_cж керамических материалов зависит от их состава и структуры и уменьшается с увеличением размера образца. Наиболее важное значение R_сж имеет для изделий стеновой керамики, которые воспринимают большие нагрузки в зданиях и сооружениях. По этому показателю стеновые изделия маркируют, принимая за марку среднюю величину по результатам испытания пяти образцов.

Для изделий строительной керамики R_сж находится в пределах 7,5—70 МПа.

;

Между прочностью керамического материала R_cж и его объемной массой прослеживается зависимость, имеющая вид кубической параболы:

а между прочностью пустотелых изделий R'_сж и их объемной массой (брутто) отмечается зависимость вида квадратичной параболы (рис. 1)

.

Предел прочности при сжатии пустотелых изделий определяют с учетом их «рабочего» положения в стене.

Рисунок 1. Зависимость прочности от объемной массы

1 – пустотелых керамических изделий; 2 – образцов-кубиков пористой керамики.

Общую разрушающую нагрузку делят на площадь брутто.

Предел прочности при изгибе керамических материалов R_из зависит от тех же факторов, что и R_cж, с той лишь разницей, что здесь структура материала оказывает более резкое влияние на его сопротивляемость изгибу. Так, например, кирпич полусухого прессования имеет меньшую величину предела прочности при изгибе, чем кирпич пластического формования, изготовленный из тех же глин, хотя R_cж последнего ниже, чем у кирпича полусухого формования.

Предел прочности при изгибе регламентируется ГОСТами для кирпича, поскольку в стене он испытывает не только сжимающие, но и изгибающие нагрузки, вследствие неровностей своей поверхности. Этот показатель регламентируется и для некоторых других керамических изделий. По нему также судят об относительной прочности испытуемого материала и используют его как косвенный показатель для характеристики некоторых других свойств глинистого сырья и обожженных изделий (связность, связующая способность, термостойкость).

Для керамических материалов R_из находится в пределах 0,7—5 МП а.

Морозостойкостью называют способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Показателем морозостойкости является количество теплосмен, которое выдерживает материал без признаков разрушения.

Обстоятельные исследования по влиянию гранулометрии пор на морозостойкость керамических материалов выявили следующие положения:

все поры в керамическом материале (с точки зрения морозостойкости) могут быть разделены на три категории: опасные, безопасные и резервные;

опасные поры заполняются водой при насыщении на холоду. В них она удерживается при извлечении материала из воды и замерзает при температуре от —15 до —20° С. Диаметр этих пор от 200 до 1 мк для глиняного кирпича пластического прессования, от 200 до 0,1 мк для глиняного кирпича полусухого прессования;

безопасные поры при насыщении на холоде водой не заполняются, либо заполнившая их вода не замерзает при указанных температурах. Это обычно мелкие поры. Заполняющая их вода становится по существу пристеночной адсорбированной влагой, имеющей свойства почти твердого тела и температуру замерзания существенно ниже (—20° С);

резервные поры при насыщении на холоде полностью заполняются водой, но из них при извлечении образца из насыщающего сосуда вода частично вытекает вследствие малых капиллярных сил. Это крупные поры диаметром более 200 мк.

Согласно этим исследованиям, керамический материал будет морозостойким, если в нем объем резервных пор достаточен для компенсации прироста объема замерзающей воды в опасных порах.

Алгебраически это условие выражают (в %) формулой:

где С – структурная характеристика материала; V_р и V_оп – объем пор соответственно резервных (размером более 200 мк) и опасных.

Экспериментальная кривая зависимости морозостойкости полнотелого кирпича от его структурной характеристики (рис. 2) показывает, что при С <9% кирпич является неморозостойким. Пустотелые изделия морозостойки при С >6.

Морозостойкость определяет долговечность керамических материалов при их службе в условиях воздействия на них внешней среды. Поэтому требования морозостойкости регламентированы ГОСТами для стеновых фасадных, кровельных и некоторых других изделии строительной керамики.

Рисунок 2. Зависимость морозостойкости глиняного кирпича от его структурной характеристики.

Теплопроводность керамических материалов зависит от их объемной массы (рис. 3.а), состава, вида и размера пор и резко возрастает с увеличением их влажности (рис. 3.б), так как теплопроводность воды [ = 0,58 Вт/(м-град)] выше теплопроводности воздуха.

Рисунок 3. Зависимость теплопроводности керамического материала

а – его объемной массы; б – его влажности.

[=0,029 Вт/(м-град)] в 20 раз. Замерзание воды в порах материала ведет к дальнейшему резкому возрастанию его теплопроводности, поскольку теплопроводность льда [=2,33 Вт/(м-град)] больше теплопроводности абсолютно плотного керамического черепка [=1,163 Вт/(м-град)] примерно в 2 раза, больше теплопроводности воды в 4 раза и больше теплопроводности воздуха в 80 раз.

Паропроницаемость действующими Гостами и ТУ не регламентирована. Однако в некоторых случаях она влияет на долговечность строительных конструкций.

Низкая паропроницаемость стеновых материалов может явиться причиной потения внутренней поверхности стен, особенно в зданиях с повышенной влажностью воздуха. По экспериментальным данным, коэффициент паропроницаемости плиток полусухого прессования с водопоглощением 8,5; 6,5 и 0,25% соответственно равен 0,155; 0,0525; 0,029 г/(м.ч. Па).

В многослойных стенах неодинаковая газопроницаемость отдельных слоев стены может вызвать накопление влаги в ее толще, последующее ее замерзание и отслаивание части стены (рис.4). По этой причине не вполне надежна сквозная фасадная облицовка стен глазурованными плитками, обладающими низкой газопроницаемостью [4].

Рисунок 4. Схема возникновения очага замерзшей влаги в многослойной стене: t — температура; m_п — коэффициент паропроницаемости; 1 — основной слой стены с высокой паропроницаемостью; 2—фасадная облицовка с низкой газопроницаемостью; 3 — слой замерзшей влаги; / — изменение m_п по толщине стены; //— изменение I по толщине стены.