Основы технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ   ТЕХНОЛОГИИ  
СТРОИТЕЛЬНОЙ  КЕРАМИКИ 
И  ИСКУССТВЕННЫХ  
ПОРИСТЫХ  ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ 
 
 
 
Рекомендуется федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального 
образования «Московский государственный строительный 
университет» в  качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки 270800 (08.03.01) 
«Строительство» (профиль «Производство и применение 
строительных материалов, изделий и конструкций»),                    
рег. № 3065 от 30.06.15 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

Введение 
 

2 

УДК 691.4(07)  
ББК 38.312.12я73 
      О-753  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-753          Основы технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей : учеб. пособие / Н. Г. Василовская, И. Г. Енджиевская, Г. П. Баранова, С. В. Дружинкин. – Красноярск : Сиб.         
федер. ун-т, 2016. – 200 с. 
ISBN 978-5-7638-3420-8 
 
Изложены сведения о классификации, вещественном составе, особенностях строения глинистых минералов, свойствах глинистых пород, физикомеханических методах их анализов. Рассмотрены технологии производства 
строительной керамики и пористых заполнителей. Представлены методики лабораторных испытаний глинистого сырья и изделий строительной керамики. 
Предназначено для студентов, обучающихся по программе бакалавриата 
по направлению подготовки 270800 (08.03.01) «Строительство» (профиль «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций»). 
Может быть полезно аспирантам и специалистам, занимающимся изучением          
и производством керамических строительных материалов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 691.4(07) 
ББК 38.312.12я73 
 
ISBN 978-5-7638-3420-8                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2016 

Введение 
 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Керамика – один из самых древних строительных материалов. Керамические материалы обладают поликристаллической структурой, получаемой в результате формования и обжига глин с добавками. Среди всех 
известных материалов по совокупности физико-химических, механических 
и художественно-эстетических свойств керамика не имеет себе равных.  
Наряду с материалами древесными и из природного камня керамические применялись еще в глубокой древности. Известно, что за 12 тыс. лет 
до н. э. в Древнем Египте возводились глинобитные сооружения из сырцового кирпича (без тепловой обработки, чему способствовал сухой климат).  
В Месопотамии, в долине рек Тигра и Ефрата, самую значительную 
роль в архитектуре играл керамический кирпич, который широко использовался при строительстве дворцов, каналов, мостов, культовых сооружений – зиккуратов. Широко известна архитектурная поливная керамика       
Ассирии, Вавилона, Древнего Ирана. На строительство знаменитой Вавилонской башни высотой 90 м израсходовано не менее 40 млн шт. кирпича.  
Изобретение цветных глазурей керамистами Древнего Востока позволило использовать глазурованный керамический кирпич для украшения 
фасадов зданий. Описание способа приготовления фриттованных глазурей 
можно обнаружить на глиняных табличках с клинописным текстом, обнаруженных в библиотеке ассирийского царя Ассурбанипала в Ниневии           
(VII в. до н. э.).  
В Древней Индии также широко применялись керамические материалы. Археологические раскопки в Пенджабе показали, что за 3 тыс. лет 
до н. э. строились двух- и трехэтажные здания из керамического кирпича. 
Древнекитайская керамика отличается особенным разнообразием, 
богатством и самобытностью форм и художественных решений. Еще                
в эпоху неолита там изготавливались керамические изделия. Всемирно известным памятником середины I тысячелетия до н. э. является Великая 
Китайская стена, построенная из керамического кирпича и камня с засыпкой землей. Это единственное строение, которое заметно даже с орбиты 
Земли. Расстояние от одного конца стены до другого составляет 2 450 км, 
но если учитывать отходящие от Великой Китайской стены другие крепостные валы, то получится 6 000 – 6 500 км, высота стены – до 10 м, ширина – 
от 5 до 8 м.  

Введение 
 

4 

Зодчие Древней Греции высоко ценили керамические изделия. Достижения архитектуры в эпоху Древнего Рима – Колизей, Пантеон – связаны с использованием керамического кирпича. В ряде европейских стран 
получило развитие производство керамических изделий с плотным спекшимся черепком – «каменного товара». В Германии в конце XV – XVI вв. 
получило широкое распространение изготовление печных изразцов, ваз             
с рельефным узором, покрытых соляной глазурью. 
Керамические материалы широко применяли в Древней Руси на протяжении многих сотен лет. Первым значительным сооружением, воздвигнутым из кирпича, была десятинная церковь в Киеве. Когда в странах          
Западной Европы изготавливали лишь двухцветные керамические плитки, 
в великокняжеских мастерских Киева их делали многоцветными и использовали для облицовки стен и полов. В соборе Новгородского Кремля керамический кирпич использовали для кладки арок, порталов, оконных проемов.  
В XIII–XIV вв. в Пскове получила распространение муравленная черепица, применяемая для кровли православных храмов, которая, вероятно, 
стала прообразом современных облицовочных плиток и изразцов с узором 
и румпой для крепления в кладке стен. Большое значение в развитии отечественной керамической промышленности имеют работы М. В. Ломоносова  
и его современника Д. И. Виноградова, выдающегося русского технолога  
и экспериментатора, создателя русского фарфора, отличающегося от китайского и саксонского. В долговечности керамических материалов можно 
убедиться на примере Московского Кремля, стены которого сложены почти 
500 лет назад. 
Однако керамика и в настоящее время является основным стеновым 
материалом. Стена из керамической кладки отвечает самым высоким требованиям комфортности и долговечности, аккумулирует тепло, благоприятно воздействуя на климат жилища. Если комфортность деревянной         
постройки принять за единицу, то комфортность помещений из керамических материалов соответствует коэффициенту 0,7, из ячеистого бетона – 
0,2, из силикатного кирпича – 0,1, из железобетона – 0,05.  
Керамическая промышленность во всем мире, в России в том числе, 
а особенно в Сибирском регионе, является динамично развивающейся отраслью. Объем выпуска керамических изделий и кирпича в России составляет более 50 % в общем балансе стеновых материалов, что объясняется их 
хорошими эксплуатационными свойствами и распространенностью сырья 
для производства. До 70 % общего объема городской застройки выполняется из кирпича и керамических камней. 
Обусловлено это, прежде всего, повсеместным наличием в природе 
легкодоступного материала – глинистых пород, главным образом используемых в технологии производства керамики. Глины очень разнообразны, 

Введение 
 

5 

а значит, они используются для производства различных изделий, поэтому 
существует необходимость проведения лабораторных исследований их 
свойств и оценки качества изделий на их основе. 
Под керамикой понимают широкую номенклатуру материалов               
и изделий: это не только кирпич и керамические камни, но и черепица,  
пористые заполнители, плитки для облицовки стен и полов, санитарностроительный фаянс и многое другое. В современном строительстве керамические изделия применяют почти  во всех конструктивных элементах 
зданий, облицовочные материалы используют в сборном домостроении. 
Богатство эстетических возможностей керамики обеспечили ей видное место в отделке фасадов зданий и внутренних помещений.  
Керамические пористые заполнители – это основа легких бетонов. 
Пористые заполнители – легкие заполнители, природные и искусственные 
сыпучие каменные материалы пористой структуры с насыпной плотностью 
не более 1 200 кг/м3 применяются в современном строительстве при изготовлении легких бетонов. Как правило, легкие заполнители получают путем термической обработки глинистого (или силикатного) сырья, с последующим рассевом или дроблением и рассевом. Таким образом керамика 
заняла свою нишу и в производстве бетона. 
Специальная керамика необходима для  химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), электротехнике и радиоэлектронике (электроизоляторы, полупроводники и др.),          
а также в других отраслях. 
Нанокерамика применяется для производства бронекерамики, генераторных ламп СВЧ-диапазона, подложки для полупроводниковых приборов, 
изоляторов для вакуумных дугогасительных камер, силовых полупроводниковых приборов и электронно-оптических преобразователей в приборах 
ночного видения. 
Технология керамики – наука о методах изготовления керамических 
изделий с заданными свойствами. Керамическими называются каменные  
изделия, получаемые из глинистого сырья путем его формования и обжига 
при высоких температурах. Процессы тепловой обработки в технологии 
строительной керамики имеют чрезвычайно важное значение как для качества готовой продукции, так и для экономики производства.  
В результате термической обработки керамика приобретает огнеупорность, химическую стойкость и ряд других свойств, определяющих 
широкое использование ее в самых различных отраслях народного хозяйства. Большая прочность, значительная  долговечность, декоративность 
многих видов керамики, а также распространенность в природе сырьевых 
материалов обусловили широкое применение керамических материалов          
и изделий в строительстве. 

Введение 
 

6 

Керамические строительные материалы в зависимости от их структуры разделяют на две основные группы: пористые и плотные. Пористые 
поглощают более 5 % воды (по массе), в среднем их водопоглощение составляет 8–20 % по массе или 14–36 % по объему. Пористую структуру 
имеют стеновые, кровельные и облицовочные материалы, а также стенки 
дренажных труб и т. д. Плотные поглощают менее 5 % воды, чаще всего   
1–4 % по массе или 2–8 % по объему. Плотную структуру имеют плитки 
для пола, дорожный кирпич, стенки канализационных труб и др. 
По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды: стеновые изделия (кирпич, пустотелые камни и панели из 
них); кровельные изделия (черепица); элементы перекрытий; изделия для 
облицовки фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, 
наборные панно, архитектурно-художественные детали); изделия для 
внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали        
к ним – карнизы, уголки, пояски); заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит); теплоизоляционные изделия (ячеистая керамика); санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы); плитка 
для пола; дорожный кирпич; кислотоупорные изделия; огнеупоры; изделия 
для подземных коммуникаций (канализационные  и дренажные трубы). 
Приведенная классификация показывает широкое распространение 
керамических материалов и изделий в строительстве. 

1.1. Сырьевые материалы 
 

7 

 
Г л а в а  1 

 
ПРОИЗВОДСТВО   
СТРОИТЕЛЬНОЙ  КЕРАМИКИ 
 
 
 
1.1. Сырьевые материалы 
 
Глинистое сырье представляет собой природную смесь водных алюмосиликатных частиц с размером зерен менее 1 мкм с примесями, остатками 
материнской породы. Оно образуется в процессе естественного выветривания 
полевых шпатов (ортоклаза K2O·Al2O3·6SiO2, альбита Na2O·Al2O3·6SiO2, 
анортита CaO·Al2O3·2SiO2) и слюд, являющихся составной частью горных 
пород. Этот процесс носит название каолинизации и обусловливается совместным разрушающим действием углекислоты и воды по следующей 
схеме: 

R2O·Al2O3·6SiO2+CO2+2H2O=R2CO3+Al2O3·2SiO2·2H2O+4SiO2. 

В результате этой реакции полевые шпаты превращаются в скопление 
мелких чешуек, материнская порода становится пористой и постепенно 
рассыпается в порошок, так образуются глинистые минералы. 
Под каолинами и глинами понимают природные  водные  алюмосиликаты с различными  примесями, способные при замешивании с водой 
образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние. 
В зависимости от преобладающего минерала глинистое сырье делится 
на гидрослюдистое, каолинитовое, монтмориллонитовое, полиминеральное. 
Чистые глины – каолины – состоят почти исключительно из минерала 
Al2O3·2SiO2·2H2O. Его кристаллическая решетка характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов, она 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 мкм. После обжига каолинитовые глины 
сохраняют белый цвет.  
Однако в большинстве случаев глинистое сырье более разнообразно 
по минеральному составу (полиминерально), оно, как правило, загрязнено 
минеральными и органическими примесями. Глинистое  вещество (с части

Г л а в а  1.  Производство строительной керамики 
 

8 

цами меньше 0,005 мм) состоит в основном из каолинита и родственных ему 
минералов: монтмориллонита Al2O3·4SiO2·nH2O, галлуазита Al2O3·2SiO2·4H2O, 
гидрослюд. 
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 
его объем может увеличиваться в 16 раз). Размеры частиц монтмориллонита 
менее 1 мкм. 
Содержание таких частиц определяет пластичность и другие свойства глин. Высокопластичные глины содержат 80–90 % частиц размером  
менее 0,005 мм.  
Гидрослюда является продуктом многолетней гидратации слюд             
и имеет химическую формулу K2O·MgO·4Al2O3·7SiO·2H2O. Кристаллическая 
решетка у этого минерала неразбухающая. По интенсивности связи с водой 
он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. 
Характерной особенностью минерала является то, что в его составе содержатся окcиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также то, что 
его отдельные катионы обладают способностью к изоморфным замещениям. 
Так, Si4+ может замещаться Аl3+, а последний – Mg2+. Размеры частиц гидрослюды около 1 мкм. 
Суглинки – тонкозернистая глинистая порода, содержащая 10–30 % 
глинистых частиц. Супеси – это мелкообломочные горные породы с небольшим содержанием глинистых минералов: от 3 до 10 %. Глины и суглинки с большим содержанием пылеватых частиц относятся к лессовидным, 
в них содержание СаСО3 более 10 %. Пылеватые частицы определяют       
основные свойства глинистых пород. Сланец – тонкослоистая порода,        
содержащая незначительное количество глинистых частиц, они обладают 
большей плотностью, чем глины. В измельченном виде после затворения 
водой сланцы обладают пластичностью и формующей способностью. 
Примесями являются все компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов. В составе примесей различают 
их тонкодисперсную часть и включения. Согласно ГОСТ 9169–75 включениями считаются зерна величиной более 0,5 мм. Для глин, используемых        
в технологии грубой строительной керамики, к включениям относятся зерна величиной более 2 мм. 
Бентонитами называют высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита. Содержание в них частиц 
меньше 0,001 мм достигает 85–90 %. 

1.1. Сырьевые материалы 
 

9 

Трепелы и диатомиты, состоящие в основном из аморфного кремнезема, используют для изготовления теплоизоляционных изделий, строительного кирпича и камней. 
В глинах могут быть примеси, снижающие температуру плавления: 
карбонат кальция, полевой шпат, Fe(OH)3, Fe2O3. Камневидные включения 
CaCO3 являются причиной появления «дутиков» и трещин в керамических 
изделиях, так как гидратация CaO, получившегося при обжиге керамических изделий, сопровождается увеличением его объема.  
Смесь природного глинистого сырья с добавками называют шихтой. 
По назначению добавки классифицируют как отощающие, порообразующие, пластифицирующие, плавни (флюсующие), специального назначения: против выцветов, нейтрализующие действие вредных примесей, 
(например, разрушающие известковые включения), окрашивающие, противоморозные.  
Отощающие добавки вводятся в состав шихты (керамической массы) 
для улучшения сушильных свойств – понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок 
используют шамот, дегидратированную глину, песок, золу ТЭС, доменный 
гранулированный шлак. Эти добавки образуют своеобразный минеральный скелет в отформованном изделии, повышают капиллярность керамической массы. Благодаря этому сокращается продолжительность сушки, 
исключается коробление сырцовых изделий и образование на их поверхности усадочных трещин. 
Шамот – зернистый керамический материал (с зернами 0,14–2 мм), 
получаемый измельчением глины, предварительно обожженной при той 
же температуре, при которой обжигаются изделия (900–950 °С). Его можно получить, измельчая отходы обожженного кирпича. Шамот улучшает 
сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его применяют для получения высококачественных изделий – лицевого кирпича, огнеупоров и т. д. 
Дегидратированная глина, обожженная при температуре 700–750 °С, 
добавляемая в количестве 30–50 %, улучшает сушильные свойства сырца  
и внешний вид кирпича. 
Песок (с зернами 0,5–2 мм) добавляют в количестве 10–25 %. 
Гранулированный доменный шлак (с зернами до 2 мм) – эффективная отощающая добавка в глины при производстве кирпича. Роли отощителей  выполняют также золы ТЭС и выгорающие добавки. 
Порообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения 
легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной 
теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге 
диссоциируют с выделением газа, например CO2 (молотые мел, доломит), 
или выгорают. 

Г л а в а  1.  Производство строительной керамики 
 

10 

Выгорающие добавки: древесные опилки, измельченный бурый 
уголь, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин – не только 
повышают пористость керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка. 
Пластифицирующие добавки используют для придания глинистому 
сырью требуемых формовочных свойств. Для этих целей применяют высокопластичные глины – бентониты, а также поверхностно-активные вещества – сульфитно-дрожжевую бражку, сульфитно-спиртовую барду и др.

Плавни (флюсы) добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо  
понизить температуру ее спекания. Они образуют с глинистыми веществами 
при обжиге легкоплавкие соединения, «склеивающие» зерна более тугоплавких компонентов. К ним относят полевые шпаты, железную руду,         
доломит, магнезит, тальк и т. п. 
Добавки специального назначения используют для нейтрализации 
действия вредных примесей. Они химически взаимодействуют с примесями с образованием нейтральных соединений. Для нейтрализации вредного 
влияния растворимых солей, образующих высолы на изделиях, в состав 
массы вводят хлористый или углекислый барий, в результате образуются 
малорастворимые соединения: 
CaSO4 + BaCO3 = CaCO3 + BaSO4. 
Карбонатные включения обезвреживают введением в шихту 0,5–1 % 
натрия или хлористого натрия. Они способствуют химическому взаимодействию СаО с SiO2 и Al2O3 с образованием силикатов или алюминатов 
при температуре обжига 900–1 000 °С. 
Окрашивающие добавки вводят в состав шихты для изменения цвета. 
Для этого используют минеральные пигменты, марганцевые, железистые, 
фосфатные руды или чистые оксиды металлов. 
Для придания декоративного вида и стойкости к внешним  воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью 
или ангобом. Слой глазури, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепляют на ней вторичным обжигом при высокой температуре. 
Глазурь – это стекло, которое может быть прозрачным и непрозрачным 
(глухим), различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури 
являются кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды свинца, борная кислота, бура и др.        
Их применяют либо в сыром виде, либо сплавленными – в виде фритты. 
Оксид свинца заменяют менее вредным оксидом стронция. 
Ангоб готовят из белой или цветной глины и наносят тонким слоем 
на еще не обожженные изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому 
поверхность получается матовой. Ангоб по своим свойствам должен быть 
близок к основному черепку.