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