Ceramiczne tworzywa dachówkowe

Ceramiczne tworzywa dachówkowe

Właściwości wyrobów ceramicznych, w tym dachówek ceramicznych zależą od składu fazowego tj. rodzaju i ilości składników krystalicznych oraz od zawartości faz niekrystalicznych. Zarówno składniki krystaliczne jak i fazy amorficzne (bezpostaciowe), ich wzajemny udział i rozmieszczenie są odpowiedzialne za takie cechy wyrobów jak wytrzymałość mechaniczna, porowatość i mrozoodporność, a w przypadku tworzyw kamionkowych również za kwaso i ługoodporność. Ze względu na specyficzne znaczenie dachówek ceramicznych w eksploatacji budynków, szczególnie na ich zachowanie trwałości w długim okresie czasu ich eksploatacji, zwykle kilkadziesiąt lat w bardzo zmiennych warunkach atmosferycznych (wszystkie pory roku), rola i znaczenie własności tworzyw jest więc ogromna. W celu przybliżenia tego rodzaju wiedzy osobom interesującym się tym zagadnieniem, w niniejszym artykule prezentowane są niektóre wyniki badania tworzyw dachowych (dachówek ceramicznych). W badaniach wykorzystano próbki tworzyw z trzech zakładów ceramicznych produkujących dachówki zakładkowe, a mianowicie z firmy-C, z firmy-W oraz z zakładu-R.

Badania tworzyw dachówkowych przeprowadzono w zakresie oznaczenia:

• właściwości technologicznych poprzez oznaczenie nasiąkliwości, porowatości, wytrzymałości na zginanie i mrozoodporności
• składu fazowego tworzyw metodą dyfrakcji rentgenowskiej (badania te przeprowadzono w aparacie rentgenowskim firmy Philips)
• morfologii poprzez obserwacje tworzyw w mikroskopie skaningowym oraz określenia ich składu pierwiastkowego wykorzystując do tego celu analizator rentgenowski

Przeprowadzone badania pozwoliły porównać właściwości tworzyw dachówek różnych producentów oraz ocenić tworzywa pod względem trwałości (mrozoodporności) w świetle nowych wymagań tj. mrozoodporności o 150 cyklach zamrażania.
Warto tutaj nadmienić, że między wymienionymi zakładami produkującymi te dachówki występują znaczne różnice w ciągach technologicznych, a więc w jakości i przerobie surowców na masę, w parametrach formowania, w warunkach suszenia oraz w procesie wypalania.

Badania dachówek (tabela 1) wskazują na dość zbliżone ich właściwości pomimo dużych różnic w temperaturach ich wypalania. Istotne różnice występują w wytrzymałości na zginanie oraz w mrozoodporności.

Fot.1. Fragment dachówki z zakładu- C po 50-ciu cyklach mrożenia	Fot.2. Fragment dachówki z zakładu- W po 50-ciu cyklach mrożenia

Tabela 1. Właściwości tworzyw dachówkowych

Oznaczenia zastosowane w tabeli 1: *badania wykonano na belkach otrzymanych z pocięcia roboczej powierzchni dachówki;
Tw-temperatura wypalania, Nm-nasiąkliwość moczenia, Ng-nasiąkliwość gotowania, Pw-porowatość względna, Rc-wytrzymałość na zginanie, Mr-mrozoodporność

Skład fazowy tworzyw dachówkowych

Próbki do tych badań zostały odpowiednio sproszkowane i poddane promieniowaniu rentgenowskiemu. W badaniach tych korzystano z aparatu rentgenowskiego firmy Philips. Uzyskane dyfraktogramy przedstawiono na rys.1 ÷ 3 natomiast odnotowane refleksy wypisano i zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Kąty odbłysku (Θ) i odległości międzypłaszczyznowe dhkl refleksów zarejestrowanych na dyfraktogramach tworzyw dachówkowych z firm C, R i W

Oznaczenia w tabeli: Q – kwarc; Q-krystob- krystobalit; M – mullit; H – hematyt; Mh - maghemit

Rys.1. Dyfraktogramy masy produkcyjnej (Cm) i tworzywa dachówkowego (Cw) z zakładu-C na tle refleksów kwarcu (Q)

Rys.2. Dyfraktogramy tworzyw dachówkowych z zakładów: C(Cw), R(Rw) i W(Ww) na tle refleksów kwarcu (Q)	Rys.3. Dyfraktogramy tworzyw dachówkowych z zakładów: C(Cw), R(Rw) i W(Ww) na tle refleksów mullitu (M)

Rys.1 przedstawia dyfraktogram tworzywa dachówki wyprodukowanej w firmie-C (wykres Cw) na tle dyfraktogramu masy wyjściowej oraz na tle refleksów kwarcu. Z danych tych wynika, że poza refleksami pochodzącymi od kwarcu, pozostałe refleksy masy i tworzywa zaznaczone są w różnych zakresach kątowych odbłysku i tym samym mają różne wartości dhkl. Świadczy to, że masa ceramiczna została w wyniku procesu wypalania silnie przeobrażona. Wszystkie refleksy pochodzące od minerałów ilastych na dyfraktogramie tworzywa zanikły. Zazwyczaj obok nich pojawiły się zupełnie nowe refleksy, które określają skład fazowy nowego produktu. Z danych zamieszczonych w tabeli 2 wynika, że głównymi składnikami fazowymi otrzymanego w wyniku wypalania tworzywa dachówkowego są kwarc i mullit oraz hematyt. Tło dyfraktogramu jest słabo podniesione, co skłania do wniosku, że udział fazy amorficznej w procesach wysoko temperaturowych był niezbyt duży.

Bardzo podobne dyfraktogramy uzyskano z dachówek firmy-R i W (rys.2 i 3). Jakkolwiek w przypadku zakładu-R nie jest znana dokładna receptura składników masy, to jednak wiadomym jest, że dachówki w tym zakładzie wypala się w temperaturze wynoszącej około 1100oC. Zakład nie stosuje żadnych dodatków technologicznych do masy dachówkowej. W porównaniu do dyfraktogramu tworzywa z zakładu-C, tworzywa dachówkowe z fabryk R i W mają trochę wyraźniej zaznaczone refleksy mullitu. Uwidacznia to rys.3. Generalnie jednak w dachówkach wymienionych firm (C; R i W) stwierdzono obecność tych samych faz tj. kwarcu (rys.1 i 2), jego polimorficznej odmiany krystobalitu, mullitu, hematytu oraz γ-Fe203 (maghemitu).

Obserwacje w mikroskopie skaningowym

Badania te przeprowadzono na kawałkach tworzyw, które pobrano z rozbitych dachówek. W celu usunięcia z próbek fazy szklistej, tworzywa zostały wcześniej wytrawione w rozcieńczonym kwasie fluorowodorowym przez okres 10 minut, a następnie w oparach stężonego kwasu HF. Następnie próbki zostały dokładnie wypłukane w wodzie destylowanej, wysuszone i napylone złotem. Obserwacje prowadzono przy różnych powiększeniach w elektronowym mikroskopie skaningowym firmy JOEL wyposażonym w analizator zawartości pierwiastków, a obrazy rejestrowano zapisując je na dysku.

Oglądane w mikroskopie skaningowym mikroobszary tworzyw poszczególnych dachówek przedstawiają fot.3 ÷ 5.

Fot.3. Mikrostruktura tworzywa z dachówki firmy-C (mikroobszar Cw-2). Powiększenie 2000x)

A	B
Rys.4 Analiza pierwiastkowa tworzywa z fot.3. A- w punkcie – 1; B – w punkcie - 2

Fot.4. Mikrostruktura tworzywa z dachówki firmy-R (mikroobszar Rw-2). Powiększenie 2000x)

A	B
Rys.5. Analiza pierwiastkowa tworzywa z fot.4. A- w punkcie – 1; B – w punkcie – 2; C – w punkcie - 3

Fot.5. Mikrostruktura tworzywa dachówki z firmy-W (mikroobszar Ww-3). Powiększenie 2000x ) oraz analiza pierwiastkowa wykonana w punkcie -1 (rys.6)	Rys. 6.

Na zdjęciu fot.3 pokazany został obszar tworzywa z dachówki wyprodukowanej w zakładzie-C. Fragment tworzywa widoczny na analizowanym zdjęciu przedstawia silnie przeobrażoną masę ceramiczną, której tworzywo zbudowane jest z glinokrzemianu żelazowego. Oprócz glinokrzemianu żelaza, stwierdza się obecność w tworzywie krzemianu lub glinokrzemianu magnezu. Stwierdzona analizą zawartość takich pierwiastków jak Mg można wiązać z obecnością w badanym materiale form tlenkowych tych pierwiastków, które powstały w wyniku termicznego rozkładu dolomitu w czasie wypalania. Na podstawie przeprowadzonych badań rentgenowskich oraz obserwacji w mikroskopie skaningowym tworzywa dachówki z zakładu-C stwierdzono, że w budowie tworzywa biorą udział glinokrzemiany żelaza, potasu i magnezu, krystobalit, kwarc i mullit. O obecności w tworzywie tego ostatniego składnika przemawia fakt podwyższonych zawartości w tworzywie pierwiastków glinu i krzemu.

Obraz mikroskopowy tworzywa dachówki wyprodukowanej w zakładzie-R pokazano na fot.5. Tworzywo zbudowane jest z glinokrzemianów żelaza, wapnia i magnezu. Układ porów jak i ułożenie agregatów jest bezładne tzn. nie wykazuje ukierunkowania. Morfologia tworzywa jest bardzo zaburzona.

Na fot.5 pokazano też obszar tworzywa o silnie zmullityzowanej formie. Wykształcony mullit ma pokrój igiełek, co świadczy, że powstał on podczas reakcji wysokotemperaturowych z udziałem fazy ciekłej. Pory są duże i nie mają ukierunkowanego przebiegu. W wyniku przeprowadzonych badań rentgenowskich oraz obserwacji w mikroskopie skaningowym tworzywa dachówki z zakładu-R stwierdzono, że w budowie dachówki biorą udział glinokrzemiany żelaza, wapnia i magnezu, kwarc oraz mullit.

Mikrostruktura badanych dachówek oraz analiza zawartości pierwiastków w tych tworzywach pozwala stwierdzić, że występuje duże podobieństwo tych właściwości pomiędzy dachówkami z firm-R i W oraz pewne różnice we własnościach tych tworzyw a tworzywem dachówki z firmy-C. Z kolei skład fazowy oraz mikrostruktura tworzyw bezpośrednio warunkują właściwości fizyczne i mechaniczne, w tym również mrozoodporność dachówek.

Temat zrealizowano w ramach działalności statutowej AGH nr: 11.11.160.451

Literatura

1. Ranagajec J. i inni, Chemical Corrosion Phenomena of Roofing Tiles. Ceramics International 23 (1997) 99-103
2. Ranagajec J, Backalic Z. i inni, Textural inhomogenities of Roofing Tiles, Tile & Brick Inf vol. 14 no 2, 1998, 102 -107
3. Belak R. Karolczak M. Dachówka ceramiczna. Ceramika Budowlana i Silikaty, 2001, nr 4
4. Stolecki J., Murzyn P., Możliwości poprawy jakości dachówek. Ceramika Budowlana i Silikaty, 2001 nr 6
5. Stolecki J. Piekarczyk J. i inni, Określenie wpływu procesów technologicznych na kształtowanie się struktury i właściwości dachówek ceramicznych w celu poprawy ich jakości. Kraków 2001, praca niepublikowana
6. Stolecki J. Murzyn P., Charakterystyka mas stosowanych w produkcji dachówek zakładkowych. Warstwy, dachy i ściany; 2006, nr 4, s.25-27

Dr inż. Józef Stolecki
Mgr inż. Paweł Murzyn
Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie