CAPITOLUL 2

142Produse Ceramice

CAPITOLUL 2

PRODUSE CERAMICE

2.1. Definiii. Generaliti.

Produsele ceramice sunt materiale sub form de buci de diferite forme i dimensiuni, obinute prin fasonarea, uscarea i arderea la temperaturi nalte, a maselor argilose.

Materiale ce au la baz pmnturile argiloase, pentru a corespunde unor exigene privind rezistena la solicitri mecanice precum i la aciunea agenilor atmosferici, sunt arse n cuptoare la temperaturi nalte. n urma arderii, intervin n masa pmnturilor transformri fizice i chimice, ce i confer acestuia o rezisten mrit, obinnd caracteristici asemntoare pietrei naturale.

Dezvoltarea n timp a tehnologiilor de fabricaie a materialelor ceramice a condus la ameliorarea calitilor naturale ale argilelor i pmnturilor argiloase utilizate ca materii prime, de asemenea a condus la nlturarea unor dificulti de fabricaie i nu n ultimul rnd a condus prin perfecionarea tehnologiilor, la lrgirea sortimentelor de produse ceramice.

2.2. Materia prim

Materia prim de baz utilizat la fabricarea produselor ceramice o constituie argila (de tip caolinitic).Amestecul plastic cuprinde n compoziie i alte materiale n cantiti mici cum ar fi:

degresani sau aglomerani;

fondani;

eventual, adaosuri refractare.

2.2.1. Argila, structur i proprieti

Din punct de vedere mineralogic, argilele sunt alctuite din compui aluminosilicatici cu formula chimic:

(2SiO2 Al2O3 2H2O)

sub form de particule lamelare cu dimensiuni de maxim 5, cu structura cristalin i caracter puternic hidrofil (vezi cap.IV).

n amestec cu apa argila formeaz paste plastice, moleculele de ap adsorbite de particulele de argil formeaz mai multe straturi suprapuse, straturi care la rndul lor influeneaz prin grosime o serie de caracteristici, mai ales plasticitatea. n acest sens se poate aprecia c primul strat (i cel mai strns legat) l formeaz apa de higroscopicitate. Straturile urmtoare, pe msur ce se deprteaz de particulele solide, sunt din ce n ce mai slab atrase de acestea i formeaz apa pelicular. Apa care nu este legat n nici un fel de particulele solide formeaz apa liber. Variaiile de volum ale apei libere sau peliculare (prin evaporarea respectiv adiie de ap din exterior) produc variaiile de volum ale argilei.

Variaia de volum a argilei prin pierderea apei libere i peliculare datorat evaporrii, const n reducerea dimensiunilor (a volumului) materialului argilos i este cunoscut sub denumirea de contracie la uscare.

Contracia la argile este nsoit de obicei de fisuri i crpturi.

Procesul de fisurare este determinat de uscarea neuniform n masa argilei. Astfel, cnd ncepe uscarea argilei, se formeaz un strat superficial uscat, cu tensiuni interioare (ntindere) datorate contraciei la uscare ce provoac tendina de micorare a dimensiunilor stratului superficial pe de o parte i mpiedicrii acestei deformaii de ctre stratul imediat urmtor dup stratul superficial, care neintrnd n proces de uscare nu-i modific dimensiunile. n condiiile deformaiei mpiedicate, eforturile provocate de contracie depesc rezistena la ntindere a stratului superficial de argil i acesta fisureaz. Fisura odat format se dezvolt accentuat, antrennd straturile urmtoare i degenernd n crptur.

Plasticitatea argilelor este determinat de forma lamelar a particulelor de argil i prezena peliculelor de ap pe suprafaa lor. n aceste condiii, cnd asupra particulelor de argil se acioneaz cu o for exterioar, peliculele de ap acioneaz ca un lubrifiant, astfel nct permit alunecarea particulelor de argil, ceea ce favorizeaz o deformaie permanent.

2.2.2. Comportarea argilei la nclzire

Comportarea la nclzire i temperatura la care are loc arderea argilelor sunt caracteristici ce intereseaz n vederea utilizrii acestora n construcii.

La nclzirea argilelor se disting mai multe etape:

la temperaturi cuprinse ntre 0 - 110 oC; se poate aprecia c pn la temperatura de 1100C are loc pierderea apei peliculare i libere, ce are ca efect o reducere de volum - contragere sau contracie la uscare. La umezire, argila redevine plastic, deci pierderea apei pn la aceast temperatur constituie o transformare reversibil; la temperaturi de 1100C - 4600C se constat o nou pierdere de greutate, fr contragere, datorit pierderii apei de higroscopicitate. Argila devine poroas, sfrmicioas i nu conine dect apa legat chimic n moleculele de caolinit; la temperaturi de cca. 4600C, are loc pierderea apei legate chimic (de cristalizare) ct i proprietatea argilei de a da amestecuri plastice. Bioxidul de siliciu i trioxidul de aluminiu devin active din punct de vedere chimic. Aceast transformare se menine pn la 7500C i este ireversibil; ntre 7500C i 9000C masa de argil (care dup pierderea total a apei se transform ntr-o mas poroas i sfrmicioas) capt i rezisten. Aceasta se datoreaz reaciei care are loc ntre cei doi oxizi activi n jurul temperaturii de 8600C, cnd se recombin:3(Al2O3 . 2SiO2) --> 2SiO2 . 3Al2O3 + 4SiO2 (2.1)

Se formeaz un nou compus numit mulit (2SiO2 . 3 Al2 O3), care este nsoit de o nou micorare de volum (contracia la ardere) i rmne liber o important cantitate de SiO2;

la temperaturi peste 9000C, odat cu creterea temperaturii se constat i o scdere a porozitii, concomitent cu creterea rezistenei mecanice, chimice i a stabilitii la ap a materialului (procesul este accelerat de prezena impuritilor).

Acest fenomen - se datoreaz reaciei dioxidului de siliciu rmas liber la formarea mulitului cu diveri oxizi metalici (impuritile argilei), n urma creia se formeaz substane sticloase cu punct de topire cobort, care se topesc, ptrund n porii argilei - poart denumirea de clincherizare cnd porozitatea scade sub 8% sau vitrificare cnd porozitatea scade sub 2%, iar temperaturile la care se produc aceste fenomene purtnd denumirea de temperatur de clincherizare, respectiv de vitrificare; la creterea n continuare a temperaturii, argila se deformeaz sub greutate proprie (temperatur de refractaritate) i apoi se topete devenind un lichid vscos.

2.2.3. Caracteristici tehnice ale argilei, ncercri i condiii de calitate

Utilizarea argilelor la fabricarea produselor ceramice are la baz proprietatea acestora, ca n amestec cu apa s dea o mas plastic uor de modelat. Aprecierea plasticitii argilei se face prin determinarea indicelui de plasticitate (Ip). Avnd n vedere faptul c mrimea contraciei argilei la uscare, respectiv la ardere, au implicaii deosebite n procesul tehnologic de fabricaie al produselor ceramice, acestea se pun n eviden n condiii de laborator, prin msurtori fcute pe epruvete n condiii standardizate.

2.2.3.a. Determinarea indicelui de plasticitate (Ip) presupune determinarea umiditii corespunztoare unei deformaii standard (raport de turtire r = 3,5) suferit de o prob cilindric de argil, sub aciunea unei greuti standardizate.

Din punct de vedere al indicelui de plasticitate (Ip) argilele se clasific n:

1. argilele cu plasticitate superioar cnd

Ip > 30%;

Fig. 2.1 Aparatul Vicat modificat

2. argile cu plasticitate medie cnd

Ip = 15 - 30%;

3. argile cu plasticitate sczut cnd

Ip = 7 - 15%;

4. argile neplastice cnd

Ip < 7%.

2.2.3.b. Determinarea contraciei argilei

Determinarea contraciei la uscare (Cu%), respectiv la ardere (Ca%) se face pe epruvete de forma cubic cu latura de 5 cm, pe una din fee trasndu-se diagonalele. Marcnd lungimea iniial a celor dou diagonale la 25 mm de punctul de intersecie i msurnd valoarea celor dou segmente dup uscare, respectiv dup ardere, se poate calcula contracia cu relaiile urmtoare:

(2.2)

(2.3.)

(2.4.)

unde: Lo = lungimea iniial;

Lu = lungimea dup uscare;

La = lungimea dup ardere;

Ct % = contracia total.

Uscarea se realizeaz n condiii de laborator, n etuve, la temperaturi standardizate, arderea efectundu-se n cuptoare de laborator , n condiiile tehnologice de ardere ale produselor ceramice.

2.2.4. Clasificarea argilelor n funcie de refractaritate

n funcie de temperatura de refractaritate argilele se clasific astfel:

a. argile fuzibile, cu punct de refractaritate sub 11000C ;

b. argile vitrifiabile, cu punct de refractaritate pn la 15800C;

c. argile refractare, cu punct de refractaritate peste 15800C.

Aceast caracteristic tehnic a argilelor este foarte important, deoarece funcie de aceasta se alege domeniul de utilizare al argilei respective, astfel:

- argilele cu punct de refractaritate < 11000C se folosesc la obinerea produselor ceramice brute poroase;

- argilele cu punct de refractaritate pn la 15800C se folosesc la obinerea produselor ceramice clincherizate i vitrificate;

- argilele cu punct de refractaritate peste 15800C se folosesc la obinerea produselor refractare.

Ca mod de rspndire n natur, argilele fuzibile sunt cele mai rspndite, cele refractare fiind mai rare.

2.2.5. Materiale de adaos

n vederea mbuntirii proprietilor maselor argiloase pentru obinerea masei ceramice se folosesc o serie de materiale de adaos, ca:

- degresani;

- aglomerani;

- fondani;

- adaosuri refractare.

2.2.5.a. Degresanii sunt materiale de adaos ce au rolul de a micora plasticitatea argilelor i totodat contracia ei la uscare.

Aceste materiale au rolul de a reduce volumul fisurilor ce apar la uscare. Din aceast categorie fac parte urmtoarele materiale: nisipul silicios, praful de amot (argil refractar ars i mcinat), cenui, zgur mcinat etc.

2.2.5.b. Aglomeranii sunt materiale de adaos ce au rolul de a mri plasticitatea argilelor slab plastice, n vederea reducerii manoperei de fasonare a formelor crude.

Din categoria materialelor de aglomerare fac parte: varul, dextrina, melasa, gudroanele etc.

2.2.5.c. Fondanii (topitori) sunt materialele de adaos ce au rolul de a cobor temperatura de clincherizare i vitrificare a masei argiloase, n scopul reducerii consumului de combustibil necesar arderii produselor ceramice. Din aceast categorie fac parte urmtoarele materiale: feldspat, calcar, dolomit etc.

2.2.5.d. Adaosuri refractare sunt materiale care introduse n masa ceramic i mresc punctul de refractaritate, deci favorizeaz obinerea unor produse refractare(cu temperatura de topire mai mare). Din aceast categorie fac parte urmtoarele materiale: amota, cuarul etc.

2.3. Procesul tehnologic de obinere a produselor ceramice

Fazele tehnologice de obinere a produselor ceramice, n ordinea executrii lor, sunt:

1. pregtirea masei plastice;

2. fasonarea formelor crude;

3. uscarea formelor crude;

4. arderea produselor uscate;

5. decorarea produselor arse.

2.3.1. Pregtirea masei plastice - const n dozarea i realizarea amestecului ntre argil, ap i materialele de adaos.

Operaiile de pregtire a masei plastice n ordinea executrii lor sunt:

1.splarea materiei prime: operaie specific procesului tehnologic de obinere a produselor ceramice fine;

2.macerarea materiilor prime: este un proces natural, ce const n pstrarea argilelor n depozite descoperite unde sub aciunea factorilor externi se produce putrezirea materialelor organice, iar pe de alt parte, sub aciunea nghe-dezgheului se produce o sfrmare natural a argilelor, urmat de operaia de ndeprtare a materialelor nedorite cum ar fi silicea (prin transformri polimorfe d mriri de volum ce produc fisurarea masei ceramice) i calcarul (prin ardere formeaz CaO, care prin hidratare i mrete volumul producnd fisurri n produsul finit). n afar de macerarea natural se face i o mrunire a masei argiloase n instalaii speciale (colerganguri), ce au i rolul de a nu lsa s treac buci de calcar mai mari de 2mm i agregat silicios mai mare de 7 mm, ce au efectele prezentate mai sus.

3. amestecarea argilei macerate cu materialele de adaos i omogenizarea lor, dup care se adaug apa i se continu amestecarea, pn la obinerea unei anumite plasticiti dinainte cunoscute.

2.3.2. Fasonarea formelor crude este operaia prin care se d forma definitiv produsului ceramic, uor mrit, avnd n vedere contracia la uscare, respectiv la ardere, a masei ceramice.

Fasonarea se poate face manual sau mecanic.

2.3.2.a. Fasonarea manual: se face pentru produse ceramice cu form deosebit, ce nu pot fi executate de maini, sau la produse pentru zidrii mai puin pretenioase. Consistena masei argiloase este plastic, fasonarea produselor executndu-se prin presare manual n tipare (forme).

2.3.2.b. Fasonarea mecanic: funcie de consistena amestecului se poate face prin urmtoarele procedee:

1. turnarea masei ceramice fluide n tipare absorbante de ipsos;

2. turnarea i presarea uoar (prin intermediul unui piston) a masei ceramice plastice n tipare;

3. presare energic a masei ceramice vrtoase ( extrudere).

Ultimul procedeu i cel mai utilizat n fasonarea mecanic a crmizilor pentru construcii se realizeaz cu ajutorul presei cu melc i filier din figura 2.2.

Masa argiloas introdus n corpul presei, ajunge presat de la valuri la cuite, de unde tiat, mrunit, este preluat i adus spre filier de urubul melc. Forma obinut prin filier este tiat la dimensiunile dorite de dispozitivul de tiere.

Fig. 2.2 Presa cu melc i filier

2.3.3. Uscarea formelor crude este operaia care se efectueaz pentru a preveni fisurarea i crparea produselor ceramice datorit evaporrii rapide a apei care s-ar produce n timpul arderii formelor crude.

Uscarea se poate face n dou moduri:

- natural;

- artificial.

2.3.3.a. Uscarea natural are loc n spaii deschise, acoperite (oproane). Produsele se aeaz cu interspaii ntre ele, pentru a permite ventilarea natural. Procedeul de uscare prin ventilare natural prezint dezavantajul unei durate mari de uscare (15 - 20 zile).

2.3.3.b. Uscarea artificial (cu aer cald) rezolv problema duratei mari necesare uscrii naturale i n plus, realizeaz un deziderat major i anume recuperarea energiei calorice puse n libertate la arderea produselor ceramice. Uscarea artificial se realizeaz n usctorii, special construite sub form de tuneluri sau camere i nclzite cu aer cald rezultat din camerele de ardere, sau n usctorii montate deasupra cuptoarelor, care folosesc cldura radiat de cuptoare.

2.3.4. Arderea formelor uscate este operaia prin care forma uscat prin nclzire progresiv la temperaturi nalte se transform ntr-un material dur, rezistent mecanic i chimic i stabil la aciunea apei.

Acest proces se desfoar n cuptoare ce pot avea funcionare continu sau intermitent.

2.3.4.a. Cuptoarele cu funcionare intermitent - sunt alctuite din camere de ardere, n care arderea este oprit pentru ncrcarea i descrcarea produselor. Aceste cuptoare prezint dezavantajul unui mare consum de combustibil, nerecuperndu-se nici cldura gazelor de ardere, nici cea a produselor arse.

Fig.2.3 Funcionarea cuptorului circular

Un astfel de cuptor este cuptorul de cmp, utilizat la obinerea unor produse ceramice puin pretenioase. Din formele crude se realizeaz o zidrie cu interspaii n care se aeaz combustibilul solid (lemn, crbune). Se acoper zidria cu un strat de argil, pentru meninerea temperaturii n masivul de crmid astfel ars. Se obin produse la care arderea complet se produce doar la 70% din materialul ars. n astfel de cuptoare se ard crmizile manuale.

2.3.4.b. Cuptoarele cu funcionare continu - sunt de doua tipuri:

a. cuptoare circulare (Hoffman);

b. cuptoare tunel.

a. Cuptoarele circulare - au zona circular ocupat de un co de fum, care asigur tirajul. Aceste cuptoare sunt alctuite dintr-un numr par de camere dispuse circular, ca n fig.2.3.

Compartimentele sunt desprite ntre ele printr-un panou de hrtie care arde odat cu arderea produselor. n aceste cuptoare produsele stau pe loc i se dirijeaz arderea de la o camer la alta, principiul de funcionare pentru un ciclu de ardere fiind urmtorul:

-n situaia din fig.2.3 dup cum se poate vedea, n compartimentul 14 se introduc crmizi crude, n continuare din compartimentul 1 se scoate arja de crmizi arse i rcite de curentul de aer proaspt care circul n cuptor n sensul indicat de sgei. Acest curent de aer ptrunde n compartimentele 2, 3, 4 i rcete arjele de crmid ars anterior i astfel prenclzit constituie aerul necesar arderii combustibilului.

Gazele de ardere rezultate din camera 5 (unde este focarul n situaia dat) contribuie la prenclzirea i uscarea formelor crude pn la evacuarea spre coul de fum prin gura de evacuare de la camera 13. n momentul n care arderea este terminat n camera 5, focul pornete n camera 6, evacuarea gazelor de ardere se face prin gura de evacuare de la camera 14, alimentarea cu forme crude se face prin camera 1, descrcarea crmizilor arse se face prin camera 2 pe unde aerul proaspt ptrunde spre formele arse din camerele 3, 4, 5 i le rcete prenclzindu-se i constituind astfel aerul necesar arderii n camera 6, unde este focul .a.m.d.

b. Cuptoarele tunel: spre deosebire de cuptoarele circulare au zona de ardere

fix. Produsele fasonate, crude, strbat cuptorul aezate pe vagonei (fig.2.4), trecnd pe

Fig. 2.4 Funcionarea cuptorului tunel

rnd prin cele trei zone: prenclzire, ardere, rcire.

Micarea crucioarelor are loc n sens invers micrii aerului i gazelor de ardere. Deci cele dou tipuri de cuptoare au acelai principiu de funcionare cu meniunea c, la cuptorul circular se dirijeaz zona de ardere de la un compartiment la altul n ordine, iar la cuptorul tunel se mic formele fasonate aezate pe vagonei, parcurgnd n ordine cele trei zone. Aceste cuptoare prezint avantajul recuperrii aa cum s-a vzut att a gazelor de ardere, ct i a cldurii produselor arse.

2.3.5. Decorarea produselor ceramice - este operaia prin care se realizeaz (prin tratamente de suprafa) mbuntirea calitii suprafeei produselor ceramice (impermeabilitatea) i a esteticii acestora.

2.3.5.a. Angobarea const n aplicarea de suspensii apoase de caolin pe produsele uscate, prin suflare sau scufundare i arderea odat cu acestea.

Se obine o suprafa compact, lucioas, cu aspect de sticl. Prin acest procedeu se realizeaz nnobilarea faianei, a teracotei etc.

2.3.5.b. Glazurarea (smluirea) const n aplicarea de diferite suspensii apoase pe formele crude i uscate (sau arse pn la structura poroas), care n timpul arderii se topesc, formnd sticle transparente sau opace.

Prin adugarea de pigmeni minerali se obin diverse culori.

Cea mai simpl glazur se realizeaz cu sare de buctrie, care se transform succesiv sub aciunea cldurii n oxizi de sodiu, aluminosilicai de sodiu i prin topire, acetia dau aspectul sticlos al smalului.

2.4. Clasificarea produselor ceramice

Criteriile de clasificare uzuale sunt:

1. dup culoare i structur:

- colorate:

- poroase - crmizi, igle, tuburi de drenaj;

-clincherizate - gresie ceramic, crmizi de clincher, tuburi de bazalt;

- albe:

- poroase - faiana, majolica;

- vitrificate - porelanul, semiporelanul;

2. dup mrimea particulelor constituente ale structurii:

- brute - (max < 5 mm, clasa A - crmizi, materiale pentru nvelitori, materiale refractare, gresie ceramic brut;

- semifine - (max < 1,5 mm, clasa B - teracote, gresie ceramic semifin, abrazivi;

- fine - (max < 0,06 mm, clasa C - faiana, semiporelan, porelan, gresie ceramic fin.

2.4.1. Produse ceramice brute poroase folosite n construcii. Produse pentru zidrii.

2.4.1.a. Crmizi pentru zidrii

Crmizile pentru zidrii sunt produse ceramice brute, colorate, cu structura poroas, obinute prin arderea la 900-10500C a formelor fasonate din argile fuzibile.Crmizile pentru zidrii sunt produse ceramice brute, colorate, cu structura poroas, obinute prin arderea la 900-10500C a formelor fasonate din argile fuzibile.Fig. 2.5 Proba ncercat la compresiune

Crmizile pentru zidrii sunt produse ceramice brute, colorate, cu structura poroas, obinute prin arderea la 900-10500C a formelor fasonate din argile fuzibile.Crmizi de mna (fasonate manual) - au forma paralelipipedic, formate prin presare manual, cu suprafaa plin i dimensiunile 240x115x63.

Se prezint n dou sortimente, funcie de rezistena la compresiune(marc)determinat pe probe pregtite ca n fig. 2.5:

- 50, cu Rc = 50-74 daN/cm2; 75, cu Rc = 75-200 daN/cm2.

2.4.1.b. Crmizi pline presate pe cale umed

Au forma paralelipipedic, fee plane i muchii drepte, cu suprafaa plin sau cu goluri i dimensiunile 240 x 115 x 63 mm i 240 x 115 x 88 mm. Cnd volumul de goluri reprezint mai puin de 15% din volumul unei crmizi, acestea se includ n categoria crmizilor pline. Golurile create au rolul de a mri suprafaa de uscare i de micorare a greutii produselor.

Funcie de densitatea aparent, aceste produse se clasific n:

- clasa C1 - cu (a < 1,3 kg/dm3;

- clasa C2 - cu 1,3 < (a < 1,6 kg/dm3;

- clasa C3 - cu 1,6