Состав кирпича, сырье для его изготовления и технология производства

Каков химический состав кирпича? Что служит сырьем для разных его видов? Как выглядит процесс превращения этого сырья в готовые изделия?

Давайте выясним.

Виды кирпича

Начнем с небольшого лирического отступления.

В плане сырья, состава и технологий нельзя говорить о кирпиче как о каком-то одном строительном материале. На современном строительном рынке присутствует несколько разных его видов, которые подчиняются разным стандартам и производятся совершенно разными способами.

Перечислим их.

• Красный кирпич.
• Клинкерный.
• Шамотный.
• Силикатный.
• Гиперпрессованный.

Полезно: шамот – не единственный вид огнеупорного кирпича.
Однако остальные его типы вы едва ли встретите в строительном магазине: они применяются исключительно в производственных условиях, прежде всего в горно-металлургической и сталелитейной промышленности.

В этом порядке и разберем интересующие нас материалы.

Красный (керамический)

Сырье

Им является обычная глина – продукт размывания водой горных пород. Основной компонент – полевой шпат. Если глина слишком жирная, для снижения избыточной пластичности в нее добавляется крупнозернистый песок, зола или шлак – отход металлургической промышленности. В тощую глину добавляется более жирная.

Разные сорта глины различаются размером зерна: оно может достигать миллиметра. Для производства кирпича оптимально зерно не более 0,005 мм.

Кроме того, применяется еще несколько типов добавок:

• Для снижения температуры обжига добавляются отходы стекла, опять-таки шлак и перлит.
• Пористую структуру глине придают выгорающие при обжиге добавки – уголь, торф и обычные опилки.
• Для окраски в различные цвета и оттенки используются минеральные стойкие к температуре красители: карбонатные породы, марганцевые, фосфорные и железные руды.

Состав

Каков химический состав красного кирпича?

Если добавки могут иметь весьма произвольный химический состав, то основа – размытый водой полевой шпат – довольно стабильна:

• Основная часть глины – кремнезем SiO2. Он составляет от 60 до 80 процентов ее массы.
• Глинозем Al2O3 – второй в списке (5 – 20%).
• До 8 процентов глины могут составлять оксиды калия, магния, натрия и кальция.
• Характерную красную окраску изделиям придает небольшое содержание окиси железа Fe2O3.

Производство

Оно осуществляется двумя основными способами:

1. Из глины с влажностью 18 – 24%. Она формуется и проходит длительную сушку, после которой отправляется в печь для обжига.
2. Из полусухой массы (влажность не превышает 8%) заготовки для обжига получаются прессованием. Такое производство достаточно высокотехнологично и энергоемко, однако существенно сокращает продолжительность производственного цикла.

Первый метод чаще используется на небольших по объемам полукустарных производствах. Второй характерен для крупных предприятий с годовой производительностью более миллиона кирпичей.

Ключевая фаза производства – обжиг – приводит к спеканию частиц глины в единую массу. Температура в туннельной печи во время обжига красного кирпича достигает 1050 градусов; продолжительность операции может достигать суток. Дело в том, что быстрый нагрев и быстрое охлаждение в равной степени губительны для продукта: ускоренное испарение воды и внутренние напряжения при неравномерном нагреве неизбежно вызовут повреждения.

Полезно: обжиг кирпича-сырца вполне возможно выполнить и своими руками в кустарных условиях.
Сырец помещается в любую стальную емкость над разведенным в яме костром.
Принцип обжига тот же: температура медленно поднимается до максимальной; затем пламя постепенно уменьшается до минимума.

Клинкерный

Сырье и состав

Клинкер, в сущности, представляет собой ту же керамику, прошедшую обжиг при более высокой температуре.

Состав керамического кирпича нами уже изучен; и здесь в качестве сырья выступает глина с небольшими добавками для коррекции свойств конечного продукта.

Однако есть несколько нюансов.

• Оптимальным содержанием глинозема Al2O3 для клинкера считается 17 – 25%. Глинозем делает расплав менее пластичным, что уменьшает деформацию кирпича при обжиге. В бедное глиноземом сырье в качестве его источника добавляются каолинитовые глины.
• Максимальное содержание окиси железа Fe2O3 в случае клинкера ограничено 6-8 процентами. Причина – специфика условий обжига: при температуре выше 1000 градусов в восстановительной среде оксид железа теряет атом кислорода и превращается в закись железа FeO; та же в сочетании с кремнеземом образует легкоплавкий фаелит (SiO2+2FeO).

В результате поверхность спекающегося кирпича покрывается сплошной коркой, которая мешает углекислому газу покидать его. Откуда берется углекислота? Она образуется при выгорании содержащегося в самой глине и поризующих добавках углерода.

Любопытно: для максимально полного и равномерного выгорания углерода в диапазоне 900-1000 градусов скорость нагрева клинкера при обжиге снижается.
Без замедления роста температуры в печи всегда есть риск получить вздутия поверхности: образующаяся при более быстром нагреве углекислота не успевает покидать сырье.

Какие еще ограничения состава сырья актуальны для клинкерного производства?

• Содержание оксида кальция CaO должно быть ограничено 7-8 процентами. Если его больше – вместо спекания есть риск получить быстрое плавление и деформацию.
• Оксид магния MgO при содержании в глине более 4% резко увеличивает ее усадку при обжиге.

Производство

Способ производства, при котором изделия получаются наиболее качественными – экструзия с применением вакуумных прессов. Применение пластичного сырья подразумевает длительную сушку перед обжигом, что, разумеется, дополнительно увеличивает затраты на производство.

Альтернатива – уже знакомое нам полусухое прессование кирпича с последующим обжигом. Цена полученных таким образом изделий заметно ниже; однако прочность и внешний вид при этом страдают.

Ключевая фаза – обжиг. Если обычная керамика обжигается при температуре до 1000 градусов, то здесь она выше и может достигать 1450С; при этом происходит куда более глубокое спекание частиц глины. Рост температуры приводит к резкому удорожанию производства: расход энергоносителей увеличивается нелинейно. При 1300С энергозатраты вчетверо больше, чем при 800С.

Шамотный

Сырье

И здесь им служит глина. Однако глина с особыми свойствами: для производства шамотного кирпича используется каолин, масса белого цвета, состоящая из каолинита. Минерал назван в честь города Гаолин в юго-восточной области Китая, где он был впервые обнаружен.

Производство шамотного кирпича – не единственная область применения каолина:

• Он лежит в основе состава белого цемента.
• Фарфор и фаянс производятся из него же.
• Мелованная бумага, белая резина и многие пластмассы используют его в качестве наполнителя.
• В фармацевтике каолин применяется как абсорбер. В частности, он помогает при резях в желудке и отравлениях.
• В косметологии он известен под незамысловатым названием “белая глина”.

Нам, однако, более интересны физико-химические свойства каолинита.

• Его плотность достигает 2600 кг/м3. Именно этим обусловлена и сравнительно высокая плотность полнотелого шамотного кирпича без поризующих добавок.
• При постепенном нагреве до 500-600С каолин полностью обезвоживается; при 1200С он разлагается с выделением тепла.

Состав

Основа каолина – водный силикат алюминия Al4[Si4O10](OH)8.

Его образуют:

• Уже знакомый нам глинозем Al2O3 – 39.5%.
• Кремнезем Si2O3 – 46.5%.
• Вода – 14%.

Разумеется, в глине неизбежно присутствуют и примеси других минералов.

Производство

Технология производства шамотного кирпича довольно необычна.

1. Каолин проходит обжиг при температуре 1300-1500 градусов.
2. Обожженная глина измельчается. Размер зерна не превышает 2 миллиметров.
3. Измельченный шамот используется как наполнитель для… опять-таки огнеупорной глины. Которая, естественно, проходит повторное спекание после формовки.

Именно столь сложной технологией производства объясняется характерная зернистая структура огнеупорного кирпича; именно благодаря ей, он не растрескивается при сильном и неравномерном нагреве.

Силикатный

Сырье

Сырьем для его производства служат кварцевый песок и известь. В качестве опциональных добавок для увеличения механической прочности могут присутствовать глиняный солевой или алюмощелочной шлам и зола.

Состав

Каков химический состав силикатного кирпича? Разберем его компоненты.

Кварцевый песок

• Большую его часть (90-95%) составляет SiO2 – все тот же кремнезем.
• Глинозем (Al2O3) составляет 3-4% массы.
• Остальное – присутствующие в долях не больше полутора процентов Na2O, K2O, MgO, Fe2O3 и CaO. Иногда в состав песка входит двуокись титана TiO2.

Известь

Она выступает в роли связующего.

Каков состав?

• Углекислый кальций CaCO3 образует большую часть массы известняка – 96 – 100%.
• Углекислый магний MgCO3 может составлять до 2% массы.
• В том же количестве – не больше 2% – могут присутствовать глинистые примеси – хорошо знакомые нам глинозем и кремнезем.

Производство

Известь измельчается; затем она перемешивается с песком и небольшим количеством воды, после чего выдерживается до полного гашения.

Следующий этап – формовка. Пресс под большим (до 200 кг/см2) давлением создает из рассыпчатой массы будущий кирпич, который сразу же отправляется на пропарку. В автоклаве при давлении в 8-10 атмосфер и температуре 180-20 градусов перегретый пар придает изделию стабильность: известь связывает частицы песка в единое целое.

В следующие 10-15 дней готовый кирпич хранится в складских условиях. Инструкция по столь длительному хранению связана с длительностью процессов карбонизации: изделия набирают прочность и водостойкость.

Гиперпрессованный

Сырье

Им служат:

• Заполнитель – как правило, измельченные известняк, ракушечник или отходы горной, металлургической, цементной промышленности, шлак и прочие некондиционные материалы.

• В роли связующего выступает портландцемент марок М400 – М500. Его объем равен 7-12 процентам от объема готового изделия.
• Небольшое количество воды позволяет на этапе формовки удержать спрессованное сырье вместе.

Состав

В качестве заполнителя могут использоваться настолько разные и непредсказуемые материалы, что описать все возможные сочетания элементов нереально. Состав воды тоже вроде как общеизвестен: два атома водорода и один – кислорода.

Из чего состоит цемент?

• CaO – 62-76%.
• Sio2 – 20-23%.
• Al2O3 – 4-7%.
• Fe2O3 – 2-5%.
• MgO – 1-5%.

Производство

1. Наполнитель измельчается дробилкой до размера частицы в 2-5 миллиметра.
2. Затем в миксере он смешивается с цементом; при особо низкой влажности может быть добавлено небольшое (до 8%) количество воды. Для окраски в произвольный цвет применяются минеральные пигменты.
3. Готовая смесь прессуется и в дальнейшем сохраняет форму.
4. После этого кирпич набирает прочность во время пропарки: в течение 8-10 часов он выдерживается во влажной среде с температурой 40-70С.
   
5. Окончательный набор прочности происходит в течение 30 дней с момента производства на складе или непосредственно в кладке.

Вывод

Мы познакомились с основами производства разных типов кирпича, с видами сырья и его составом. В представленном видео в этой статье вы найдете дополнительную информацию по данной теме. Успехов в строительстве!