Сырьевые материалы, используемые при изготовлении керамических изделий, можно разделить на две основные группы: глинистые и непластичные.

Глины

К глинистым материалам относятся глины и каолины. Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье представляет собой горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда).

В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье классифицируют:

- по огнеупорности;

- по содержанию А1₂О₃;

- по содержанию красящих оксидов (Fe₂О₃, ТiO₂,);

- по содержанию водорастворимых солей;

- по минеральному составу;

- по содержанию тонкодисперсных фракций;

- по содержанию крупнозернистых включений;

- по пластичности;

- по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;

- по спекаемости;

- по содержанию свободного кремнезема.

Состав глин

Каолинит имеет химическую формулу Al₂O₃•2Si₂O₂•2H₂O. Его кристаллическая решетка характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов и неподвижна. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно отдает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита от 1 до 3 мк.

Монтмориллонит имеет химическую формулу Al₂O₃•4Si₂O₂•H₂O•nH₂O. Эта формула не совсем точно отражает состав монтмориллонита, так как в состав кристаллической решетки некоторых разновидностей этой группы минералов входят также Mg, Fe, Na. Кристаллическая решетка монтмориллонита имеет слоистое строение, отдельные слои в ней могут раздвигаться под воздействием вклинивающихся молекул воды. В связи с этим монтмориллонит способен интенсивно поглощать довольно большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении — объем увеличивается в 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк.

Гидрослюда является продуктом многолетней гидратации слюд и имеет химическую формулу K₂O•MgO•4Al₂O₃•7SiO₂•2H₂O. Кристаллическая решетка у этого минерала не разбухающая. По интенсивности связи с водой он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Характерной особенностью минерала является то, что в его составе принимают участие окcиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также способность отдельных катионов к изоморфным замещениям. Так, Si⁴⁺ может замещаться Аl³⁺, а последний — Mg²⁺. Размеры частиц гидрослюды около 1 мк.

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глины каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и т.п.

Примесями являются все компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов. В составе примесей различают их тонкодисперсную часть и включения. Согласно ГОСТ 9169 включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм. Для глин, используемых в технологии грубой строительной керамики, к включениям относятся зерна величиной более 2 мм.

Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и тонкодисперсной кварцевой пыли — шлюфа. Они отощают глину, ухудшая ее формовочные свойства. Кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а шлюф — ухудшает. Обжиговые свойства глин кварцевые примеси ухудшают, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении. Кроме того, они понижают прочность, а иногда и морозостойкость обожженных изделий. Особенно вредны кварцевые примеси для производства керамзита.

Карбонатные примеси встречаются в глинах в трех структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, составляющих с остальной частью породы однородную массу, в виде рыхлых примазок и мучнистых стяжаний и в виде плотных каменистых конкреций, которые являются включениями.

Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по схеме СаСО₃→СаО + СО₂, обусловливают повышенную пористость керамического черепка и некоторое понижение его прочности. При производстве стеновых материалов они не являются вредными, однако ухудшают свойства глин, используемых для производства изделий со спекшимся черепком, и керамзита.

Рыхлые примазки и скопления при механической обработке глины легко разрушаются и превращаются в равномерно распределенную безвредную тонкодисперсную примесь, количество которой обычно невелико, и потому они существенно не влияют на свойства глины.

Каменистые карбонатные включения являются вредными, вызывая в изделиях характерные пороки, получившие название «дутика».

Железистые примеси встречаются в виде тонкодисперсных равномерно распределенных минералов лимонита, гидроокида железа и включений пирита. Тонкодисперсные железистые примеси придают глине окраску от светло-коричневого до темно-красного тона, а обожженному керамическому черепку — от кремового и бледно-розового до красного.

При обжиге изделий в восстановительной среде железистые оксиды переходят из окисных соединений в закисные (восстанавливаются), окрашивающие изделие в сине-зеленоватый цвет. При увеличении содержания железа цвет глины после обжига делается все более темным и может стать черным. Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей.

Закисные соединения железа, обладая большой реакционной способностью, интенсивно образуют железистые силикатные расплавы (стекла), способствуя сильному уплотнению керамического черепка. Наличие тонкодисперсных железистых примесей вредно для глин, используемых для производства беложгущихся керамических изделий (фарфор, фаянс), и, наоборот, благоприятно для красножгущихся изделий с плотным черепком (канализационные трубы, плитки для полов), а также для керамзита и аглопорита.

Включения пирита FeS₂ вызывают на обожженных изделиях появление железистых выплавок, а мелкодисперсных железистых включений — точечных черных пятен («мушки»). Аналогичные последствия, но с меньшей интенсивностью вызывают и примеси сидерита FeCО₃.

Щелочные оксиды в примесях глин присутствуют обычно в виде полевошпатового песка и растворимых солей. Последние при сушке изделия мигрируют по капиллярам на его поверхность, а после обжига спекаются с черепком, образуя на внешней поверхности изделия белые налеты, портящие цвет черепка (в особенности красный).

Органические примеси окрашивают глину в черный цвет. В обжиге они выгорают, выделяя газы и обусловливая восстановительную среду внутри черепка. Эти явления полезны в производстве керамзита и, наоборот, могут являться источником определенных пороков («пузыря») при обжиге изделий с плотным черепком.

Гранулометрическим (зерновым) составом глин называется процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе.

В производстве стеновых и других изделий грубой керамики чаще всего пользуются трехчленной классификацией глин (по Рутковскому), относя к глинистой части фракцию менее 5 мк, к пылевидной — от 5 до 50 мк и к песчаной — от 50 мк до 2 мм. Включениями считаются зерна величиной более 2 мм.

Трехчленная классификация дает возможность графически изображать гранулометрический состав глинистой породы при помощи треугольной диаграммы (рис. 1).

Рис. 1. Треугольная диаграмма гранулометрического состава глин

Она представляет собой равносторонний треугольник, каждая из вершин которого соответствует 100%-ному содержанию какой-либо одной фракции (глинистой, пылевидной, песчаной), а каждая сторона является геометрическим местом точек соответствующих бинарных составов (глинистое вещество — песок, глинистое вещество— пыль, пыль — песок). Внутри треугольника располагаются все трехчленные составы глинистой породы. Против вершин располагаются параллельные эквидистантные линии с убывающим содержанием фракции, соответствующей рассматриваемой вершине. Так, например, состав, содержащий глинистой фракции 40%, пылевидной—50% и песчаной—10%, изобразится точкой А.

Пользование треугольной диаграммой весьма удобно для наглядного изображения результатов систематического контроля гранулометрического состава глины, поступающей в производство. Если точки, изображающие гранулометрический состав, располагаются на диаграмме «кучно», то это свидетельствует о сравнительном постоянстве состава глины; если же они сильно разбросаны, то это указывает на нестабильность состава глины и на возможное появление брака готовой продукции.

Пользование треугольной диаграммой открывает и некоторые расчетные возможности. Так, например, можно решать задачи по определению состава смеси различных глин, их отощению и обогащению.

Исследуя гранулометрические составы многочисленных глин и сопоставляя их с результатами использования этих глин для изготовления отдельных видов керамических изделий, некоторые авторы определили на треугольной диаграмме области составов, пригодных для изготовления определенных видов изделий грубой керамики. Это сделано, например, на диаграмме А. С. Беркмана и И. Г. Мельниковой (рис. 2). Зная гранулометрический состав глины и пользуясь этой диаграммой, можно составить первое представление о пригодности глин для изготовления определенных видов изделий грубой строительной керамики.

Рис. 2. Диаграмма гранулометрического состава глин. Глины пригодны для изготовления: 1 – полнотелого кирпича; 2 – кирпича с пустотами; 3 – черепицы; 4 – дренажных труб и других тонкостенных изделий; 5 – гончарных и других изделий, для которых необязательна морозостойкость

В химическом составе глин принимают участие следующие основные оксиды: SiО₂, А1₂О₃, СаО, MgO, Fe₂О₃, ТiO₂, К₂O, Na₂O.

Кремнезем Si0₂ находится в глинах в связанном и свобод­ном состояниях: связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка и шлюфа. Определение химическим анализом содержания свободного кремнезема является особо важным при оценке пригодности глин для производства керамзита. Общее содержание кремнезема в глинах составляет 60—65°/₀ и в запесоченных глинах достигает 80—85%.

Глинозем А1₂О₃ находится в глинах в связанном состоянии, участвуя в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом: с повышением его содержания огнеупорность глин возрастает. Так как содержание слюдистых примесей в глинах обычно невелико, то содержание в них глинозема косвенно отражает относительную величину глинистой фракции, содержащейся в глинистой породе. Содержание глинозема колеблется от 10—15% в кирпичных и до 32—35% в наиболее ценных сортах огнеупорных глин.

Известь СаО и магнезия MgO в небольших количествах участвуют в составе глинистых минералов. При относительно высоких температурах обжига известь вступает в реакцию с глиноземом и кремнеземом и, образуя эквтектические расплавы в виде алюмлкальциевых силикатных стекол, резко понижает температуру плавления глины.

Оксид железа Fe₂О₃ содержится в глинах в виде примесей и оказывает на них и на обожженный черепок прежде всего красящее действие. Температуру плавления глины оксиды железа заметно понижают лишь при обжиге в восстановительной среде. Содержание оксидов железа (в пересчете на Fe₂О₃) находится в пределах от долей процента в наиболее чистых беложгущихся глинах до 8-10% в кирпичных.

Диоксид титана ТiO₂ участвует в примесях и его содержание не превышает 1,5%. Диоксид титана придает обожженному черепку окраску зеленоватых тонов.

Щелочные оксиды К₂O, Na₂O входят в состав некоторых глинообразующих минералов, но в большинстве случаев присутствуют в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание составляет до 5-6%. Они ослабляют красящее действие Fe₂О₃ и ТiO₂ и понижают температуру плавления глин.

Химический состав глин является их важнейшей характеристикой и в значительной мере определяет промышленное их назначение. Пригодность глин для производства тех или иных изделий можно оценивать диаграммой А.И. Августинника

Рис. 3. Промышленное назначение глин в зависимости от их химического состава. Глины пригодны для производства 1 - огнеупорных шамотных изделий; 2 - плиток для полов, канализационных труб, кислотоупорных изделий и каменного товара; 3 - гончарных и терракотовых изделий; 4 - черепицы; 5 - мостового клинкера; 6 - кирпича