ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 11 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΛΙΘΟΣΩΜΑΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΟΠΤΟΠΛΙΝΘΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΛΛΟΙ ΠΛΙΝΘΟΙ (ΠΥΡΙΜΑΧΕΣ - ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΑΣΒΕΣΤΟΠΥΡΙΤΙΚΕΣ) ΚΕΡΑΜΙΔΙΑ ΠΛΑΚΕΣ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗΣ 3
Η λέξη "κεραμικό" προέρχεται από το προάστιο Κεραμεικός της Αρχαίας Αθήνας και αναφερόταν αρχικά στην αγγειοπλαστική κεραμική, για ψημένα προϊόντα από πηλό. Σήμερα ο όρος κεραμικά υλικά έχει ευρύτερη χρήση και περιλαμβάνει όλα τα ανόργανα μη μεταλλικά υλικά που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες (>1000 C) είτε κατά το στάδιο της επεξεργασίας είτε κατά το στάδιο της εφαρμογής. Τα παραδοσιακά κεραμικά είναι τα πήλινα αντικείμενα, τούβλα, κεραμίδια και πλακάκια δαπέδου. Ως προηγμένα κεραμικά αναφέρονται υλικά τα οποία είναι χρήσιμα για τις ηλεκτρικές, ηλεκτρονικές, οπτικές ή μαγνητικές ιδιότητές τους. 4
Τα κεραμικά υλικά αποτελούνται από ενώσεις με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, όπως: Οξείδια (π.χ. Al 2 O 3 ) Καρβίδια (π.χ. B 4 C) Νιτρίδια (π.χ. Si 3 N 4 ) Βορίδια (π.χ. Nd 2 Fe 14 B) Πλεονεκτήματα: Επιθυμητές διαστάσεις Τυποποίηση Βάρος Κόστος Χρόνος 5
Όπτηση του πηλού (κονίαμα αργίλου & λεπτή άμμος): Προετοιμασία πρώτης ύλης (πηλός) με καθορισμένες αναλογίες αργίλου, άμμου και νερού Καθορισμός σχήματος (καλούπια) Ξήρανση Όπτηση σε καμίνια και στερεοποίηση Ψύξη 6
7
8
9
Συνήθεις ιδιότητες των κεραμικών είναι: αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες μονωτικές ιδιότητες, ή ημιαγώγιμη συμπεριφορά με διάφορες μαγνητικές και διηλεκτρικές ιδιότητες αντίσταση στην παραμόρφωση ευθραυστότητα χαμηλές τιμές στις μηχανικές ιδιότητες Στην πράξη, οι ιδιότητες των κεραμικών υλικών παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση από υλικό σε υλικό, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τους κεραμικούς υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών (π.χ.yba 2 Cu 3 O 7-x ). 10
Είναι άγνωστο πότε ο άνθρωπος χρησιμοποίησε για πρώτη φορά κεραμικά πλακάκια. Επιφάνειες στρωμένες με κεραμικά πλακάκια έχουν βρεθεί σε πυραμίδες, στη αρχαία Βαβυλώνα με περίτεχνες παραστάσεις και χρώματα και σε όλες τις αρχαίες ελληνικές και ρωμαϊκές πόλεις Τα πρώτα πλακάκια ήταν ζωγραφισμένα στο χέρι, κατασκευάζονταν από πηλό και ψήνονταν στο ήλιο ή ψήνονταν σε φωτιά και κόβονταν επίσης με το χέρι. Σήμερα χρησιμοποιούνται ευρέως εξαιτίας της εύκολης τοποθέτησης τους σε σχέση με το μάρμαρο και για λόγους οικονομίας αφού η τιμή πώλησης τους είναι πολύ χαμηλή από αυτή του μαρμάρου. Κατασκευάζονται σε πολλές διαστάσεις και χρώματα. Είναι ανθεκτικά σε όλες τις καιρικές συνθήκες και χρησιμοποιούνται στην πλακόστρωση δαπέδων εσωτερικών χώρων, στη πλακόστρωση πεζοδρομίων, επένδυση μπάνιων, κουζινών αλλά και τοίχων σαν διακοσμητικά. 11
Το τούβλο ή οπτόπλινθος είναι ένας τεχνητός λίθος με διάφορες διαστάσεις και σχήματα που χρησιμοποιείται, από τους αρχαίους χρόνους μέχρι σήμερα. Τα τούβλα κατασκευάζονται όπως όλα τα κεραμικά, με τις σχετικές τους ιδιαιτερότητες. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τοίχων, φερόντων ή μη. Η φέρουσα τοιχοποιία από οπτόπλινθους μπορεί να είναι άοπλη, διαζωματική ή και οπλισμένη με χάλυβα και καλύπτεται από τον Ευρωκώδικα 6. 12
Θλιπτική αντοχή: Μέση θλιπτική αντοχή αντιπροσωπευτικού δείγματος Ανηγμένη θλιπτική αντοχή (f b ): αναγωγή της μέσης θλιπτικής αντοχής στη θλιπτική αντοχή ενός ξηρού λιθοσώματος πλάτους 100 mm και ύψους 100 mm, με πολλαπλασιασμό επί τον συντελεστή δ. Χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή: η τιμή της θλιπτικής αντοχής με πιθανότητα 5% να υποσκελιστεί από τις θλιπτικές αντοχές καθορισμένου πλήθους λιθοσωμάτων Διεύθυνση φόρτισης σε σχέση με διεύθυνση των κενών: Παράλληλα στα κενά, αυξημένη & αντιστρόφως ανάλογη του % κενών (6-14 MPa) Κάθετα, πρόσθετες τάσεις λόγω κάμψης των τοιχωμάτων, μείωση αντοχής (3-6 Mpa) f b > 2.5 MPa ή 2.0 MPa για φόρτιση κάθετα ή παράλληλα προς την πλευρά έδρασης 13
Κεραμικά: Γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση Ψαθυρή θραύση Μέτρο ελαστικότητας: το τέμνον μέτρο ελαστικότητας μέχρι το 1/3 περίπου της θλιπτικής αντοχής 14
Η εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων είναι μείζονος σημασίας για την αντοχή των τοιχοδομών σε θλίψη και κάμψη. Ο προσδιορισμός της γίνεται είτε άμεσα, με την απευθείας φόρτιση κατάλληλα στερεωμένων σε ειδικές αρπάγες λιθοσωμάτων είτε έμμεσα, βάσει δοκιμής σε κάμψη (κατ' αναλογία με το σκυρόδεμα, οπότε προκύπτει η αντοχή σε εφελκυσμό από κάμψη) Εφελκυστική Αντοχή: 20-50 % θλιπτικής αντοχής Καμπτική Εφελκυστική Αντοχή: 20-50% > Εφελκυστική Αντοχή διάρρηξης 15
Προσδιορισμός: Άμεσα ή έμμεσα Μέθοδοι ελέγχου εφελκυστικής αντοχής λιθοσωμάτων: (α) άμεσος εφελκυσμός, (β) εφελκυσμός από κάμψη και (γ) εφελκυσμός από διάρρηξη 16
Βάρος (ΑSTM C67-89): ζύγιση σε ξηρή κατάσταση (C) Πυκνότητα: εμβάπτιση, ζύγιση στο νερό (F) και στον αέρα (E). D=1000*C/(E-F), της τάξης των: 1100 kg/m 3 για τα διάτρητα, 1900 kg/m 3 για τα συμπαγή Υγρασία, Υδαταπορροφητικότητα: Αρχικός ρυθμός απορρόφησης = βάρος νερού που απορροφάται εντός 1 λεπτού (μεταξύ 0.25-1.5 kg/min/m 2 ) Απορρόφηση νερού (γενικά) = f (t 1/2 ) 17
τεχνητά λιθοσώματα πρισματικού σχήματος 1-2% του συνολικού κόστους της κατασκευής επηρεάζουν υλικά και εφαρμογές που καλύπτουν το 18% περίπου του παραπάνω κόστους Πορτοκαλί - κόκκινα και υποκίτρινα 18
Διαστάσεις: L= a*d + b*t h = d - b*t, h d L t όπου a 2, b 1, t 10 mm λ = 0.2-0.35 W/mK (διάτρητα) λ = 0.45 W/mK (συμπαγή) Συντελεστή θερμικής διαστολής = 4 10-6 / C έως 8 10-6 / C. (σκυρόδεμα 1.5-2.0 W/mK)/ 11-12 10-6 / o C ) 19
Παράγοντες: ποσοστό κενών ποιότητα του κεραμικού υλικού διάταξη των κενών σε σχέση με τη διεύθυνση φόρτισης. Πλήρωσης (Γ):.2.4 <f c,m <3 Mpa Μέσης αντοχής (Β): 3.2<f c,m <4 Mpa Υψηλής αντοχής (Α): f c,m > 5 MPa Σχέση θλιπτικής αντοχής τούβλων με το πορώδες, ποσοτικοποιημένο με την υδαταπορρόφηση 20
Υψηλό πορώδες: 10-40 % με διάμετρο πόρων μεταξύ 0.1-5 μm (2/3, διαπερατοί) υδαταπορρόφηση = 8-15%, (ορθή εφαρμογή επιχρισμάτων) συντελεστής κορεσμού (εμβάπτιση εν βρασμώ νερό για 5 ώρες). Ο λόγος της ποσότητας υγρασίας κατά την πρώτη μέθοδο προς αυτήν κατά τη δεύτερη μικρές σχετικά τιμές του συντελεστή κορεσμού αντιστοιχούν σε τούβλα με μεγάλη ανθεκτικότητα σε παγετό Μέγιστες τιμές χαρακτηριστικών υδαταπορροφητικότητας τούβλων Κατηγορία Μέγιστη υδαταπορρόφηση 5 ωρών (%) Μέγιστος συντελεστής κορεσμού Μέση τιμή 5 τούβλων Μέγιστη μεμονωμένη Μέση τιμή 5 τούβλων Χ Χωρίς όριο Χωρίς όριο Μέγιστη μεμονωμένη I 22 25 0.88 0.90 II 17 20 0.78 0.80 21
ΜΚΕΣ24- Μ Ξ Απορ 24h(%) = 100 Μ Μb5 - Μ Ξ Απορ b5(%) = 100 Μ Ξ Ξ Μ Συντελεστής κορεσμού = Μ s24 b5 - Μ Μ 22
Δειγματοληψία < 50.000 τούβλα, από 5 διαφορετικές θέσεις 5 σειρές 10 τούβλων > 50.000 τούβλα, από 5 διαφορετικές θέσεις 5 σειρές 20 τούβλων Έλεγχος διαστάσεων 2 τεμ από 5 σειρές (±2 mm) Έλεγχος σε διογκούμενα σώματα 5 τεμ, εν βρασμώ-ψύξη-αποφλοιώσεις Έλεγχος παραμορφώσεων (επιπεδότητας). 5 τεμ, βέλος < 5 mm, (±0.5 mm) Ευθυγραμμία ακμών. 5 τεμ, βέλος ακμής < 5 mm, (±0.5 mm) 23
ίδιας περίπου σύστασης με τα κοινά τούβλα μεγάλη περιεκτικότητα σε οξείδια του αργιλίου και του πυριτίου αργιλικά (τα οποία κατασκευάζονται από όσο το δυνατόν καθαρότερη άργιλο) πυριτικά (με πρώτη ύλη σχεδόν καθαρό χαλαζία). μεγαλύτερη αντοχή σε υψηλές (πάνω από 1500 C), παρατεταμένες και απότομα μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες. Χρήση στη βιομηχανία (εσωτερική επένδυση κλιβάνων, καμίνων, εστιών, καπνοδόχων) όξινα, ουδέτερα και βασικά 24
Χαρακτηριστικά τσιμέντο, άμμο, γαρμπίλι και νερό (τσιμέντο:αδρανή 1:10-12 κ.β.) ύφυγρο σκυρόδεμα (μηδενική κάθιση) μορφοποίηση σε καλούπια με πρέσσα μήκος 0.4-0.6 m, πλάτος 0.1-0.3 m και ύψος 0.2-0.25 m. Πλεονεκτήματα εύκολη και χαμηλού κόστους παραγωγή καλύτερη μηχανική αντοχή Μειονεκτήματα μεγαλύτερο βάρος μικρή θερμομονωτική ικανότητα Χρήσεις δόμηση αποθηκευτικών και βιομηχανικών χώρων 25
μηχανική συμπεριφορά σκυροδέματος συστολή ξήρανσης, της τάξης του 0.01-0.05% Άλλοι τύποι: ελαφρόπλινθοι από ελαφροσκυρόδεμα πλίνθοι από κυψελωτό σκυρόδεμα (τύπου π.χ, "αλφαμπλόκ" ή YTONG), Χαμηλό βαρος υψηλή θερμο-ηχο-μόνωση - μειωμένη αντοχή. 26
Παρασκευή χαλαζιακή άμμος / ασβεστόλιθος / νερό / χρωστικές ουσίες Μορφοποίηση σε καλούπια με ειδικές πρέσσες Αντίδραση ασβεστόλιθου και άμμου σε αυτόκλειστο-παραγωγή τομπερμορίτη Χαρακτηριστικά θλιπτική αντοχή των ασβεστοπυριτικών πλίνθων: 15-35 Mpa, εφελκυστική αντοχή από κάμψη είναι συνήθως 2-5 Mpa πυκνότητα 1700-2100 kg/m 3 υδαταπορρόφηση 5-15% συντελεστής θερμικής διαστολής από 8 10-6 / C έως 15 10-6 / C συστολή ξήρανσης μεταξύ 0.01-0.04% μέτρο ελαστικότητας 14-18 GPa 27
Κεραμίδια Παρασκευή: πηλός μορφοποιείται σε καλούπια ξήρανση όπτηση Βασικοί τύποι κεραμιδιών Πλακίδια Παρασκευή: πηλός, καολίνης και άλλα πετρώδη υλικά, με συμπίεση σε μεταλλικές φόρμες και όπτηση σε θερμοκρασία 900-1200 C ("μπισκότα ) χρωματισμός/τελείωμα (εφυάλωση). 28
29
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.