Технология изготовления керамических материалов для реставрации

Реставрационные работы на памятниках истории и архитектуры – один из важных этапов строительных работ. Особую сложность вызывает правильный выбор керамических материалов.

Декоративные керамические изделия для реконструкции фасадов зданий

Застройка ул. Ленина г. Минска, выполненная в советском классическом архитектурном стиле, впоследствии названном сталинский ампир, делает художественный облик города привлекательным и представляет культурно-историческую ценность. На сегодняшний день ансамбль зданий на проспекте Независимости, созданный в данном стиле, взят государством под охрану.

Архитектурно-декоративное оформление фасадов зданий на этой территории очень насыщенное. Первые этажи по всему фронту застройки содержат ряд арок на трехчетвертных столбах, стоящих на цоколе. Между вторым и третьим этажами проходит широкий фризовый пояс с растительно-геометрическим орнаментом. На уровне четвертого этажа имеются балконы с балюстрадами, полуциркульными нишами, лепным декором. Угловые части зданий оформлены декоративными вазами. Фасадные стены особенно насыщены декором. В их убранстве использованы пилястры с капителями, скульптура, карнизы, лепнина.

Над главным карнизом располагается ограждение крыши – балюстрада, состоящая из облицованных керамическими плитами столбов, балок и элементов – балясин и декоративных шишек. Керамические детали включали более 100 типов различных элементов.

Значительная часть деталей фасадов и особенно балюстрады были разрушены как под воздействием окружающей среды, так и механическим путем при установке реклам и проводок и подлежали восстановлению. В большой степени был разрушен поясок плит, находящийся под фризом (уровень третьего-четвертого этажей), балясины балюстрады, пилястры, пинакли, лепной декор, обрамляющий балконы.

Для проведения реставрации потребовалось выполнение комплекса работ: оценка состояния деталей фасадов зданий, установление количества разрушенных элементов, проектирование рабочих чертежей изделий, разработка составов масс и технологии изготовления изделий; выбор возможного предприятия-изготовителя; моделирование и производство изделий различных типоразмеров; освоение технологии изготовления и выпуск опытных и серийных образцов.

Анализируя структуру и текс­туру элементов фасадов зданий, следует отметить, что помимо природно-климатического фактора на уровень разрушения в значительной степени повлияло некачественное формование изделий методом ручной набивки в гипсовые формы.

После оценки функционального состояния элементов фасадов зданий перед специалистами кафедры стояла задача разработать составы керамической массы и технологию изготовления керамических материалов для проведения реставрационных работ. Был исследован ряд керамических масс на основе белорусского и украинского глинистого сырья, установлено оптимальное сочетание пластичных и отощающих компонентов, подобрана цветовая гамма путем сочетания глин различного химико-минералогического состава. В исследовании приняли участие ведущие специалисты-керамики кафедры: д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Технологии стекла и керамики» БГТУ, лауреат премии Национальной академии наук Беларуси за лучшую научную работу (2002 г.) И. А. Левицкий; д. т. н. Ю. Г. Павлюкевич; профессор, д. т. н. И. В. Пищ; доцент, к. т. н. Е. М. Дятлова; доцент, к. т. н. Ю. А. Климош; ассистент, к. т. н. Е. О. Богдан; младший научный сотрудник О. В. Кичкайло, а также ряд молодых ученых и аспирантов.

В качестве предприятия-изготовителя керамических материалов для реставрационных работ было выбрано УП «Комбинат декоративно-прикладного искусства им. А. М. Кищенко» (г. Борисов), которое специализируется на выпуске керамических изделий декоративного и хозяйственного назначения.

Для получения изделий фасадной керамики стабильной окраски заданного цвета с высокими технико-эксплуатационными характеристиками нами выбрано следующее глинистое сырье Украины: огнеупорная беложгущаяся глина Новорайского месторождения марки ДНПК (Донецкая область, Константиновский район), тугоплавкая красножгущаяся глина никифоровского месторождения (Донецкая область, Славянский район) и каолин просяновский марки КН‑83 (Днепропетровская область, Покровский район). Указанное выше сырье применялось в сочетании с красножгущейся глиной Республики Беларусь месторождения «Городное» (Брестская область).

Для повышения механической прочности и морозостойкости готовых изделий, улучшения сушильных свойств, снижения воздушной и общей усадки массы использовался алюмосиликатный шамот фракции 0,25–3 мм в количестве 30–50 %.

Изготовление керамических образцов осуществляли методом пластического формования с подготовкой массы по сухому способу. Отформованные изделия подвяливались в естественных условиях с последующей сушкой при температуре 100  ⁰С до постоянной массы. Обжигались образцы в электрической печи в диапазоне температур от 1050 до 1200  ⁰С в зависимости от огнеупорности глин, входящих в состав массы.

Цветовая гамма образцов, полученных на основе различного сочетания красножгущихся и беложгущихся глин, представлена широкой палитрой цветов. Преобладающими были тона от светло-красно-коричневых и рыже-коричневых до темно-коричневых и шоколадных с различными оттенками, яркостью и насыщенностью тона. Цвет материалов зависел от температуры обжига и концентрации красящих оксидов.

Морозостойкость керамических изделий, испытанных в условиях унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт строительных материалов» составляло более 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без признаков разрушения.

Технологический процесс получения керамических масс для изготовления изделий фасадной керамики заключается в приготовлении алюмосиликатного шамота заданного зернового состава, а также порошков глины «Городное», шихты огнеупорной новорайской глины марки ДНПК и каолина просяновского. Высушенная в сушильном барабане глина месторождения «Городное» измельчалась в дез­интеграторе. Для получения порошка огнеупорной глины марки ДНПК и каолина просяновского осуществляли их роспуск в бассейне с пропеллерной мешалкой с добавлением смеси электролитов – жидкого стекла и триполифосфата натрия в количестве 0,2 % каждого. Далее полученная суспензия обезвоживалась в башенной распылительной сушилке до влажности порошка 6–8 %.

Смешивание сухих глинопорошков и шамота в заданном соотношении осуществлялось в двухвальном смесителе с последующим увлажнением

до 18–20 %. Уплотнение и формование валюшки производилось в вакуум-прессе. Формование полуфабрикатов изделий велось в гипсовых формах по шаблону из пластических масс при влажности 18–20 %. Изделия крупной формы и сложной конфигурации изготавливались набивкой в гипсовые формы «внатир». При формовании полых изделий производилась набивка отдельных частей гипсовой формы с последующей сборкой составляющих ее частей и доработкой мест стыка полуфабриката изделий.

Изготовленные в промышленных условиях образцы характеризовались механической прочностью при сжатии и изгибе соответственно

29,1–34,8 и 7,1–11,4 МПа, водопоглощением 9–11 %, общей усадкой 6,9 %, морозостойкостью более 100 циклов.

Реставрационные работы по восстановлению фасадов зданий успешно завершены и накопленный опыт специалистов‑реставраторов, разработчиков и изготовителей керамических материалов может быть использован в дальнейшем.

Керамические плитки для реставрации полов

В Республике Беларусь широко развернута программа по сохранению и восстановлению культурно-исторического наследия. Активно проводится реконструкция исторических достопримечательностей и памятников архитектуры, являющихся визитной карточкой государства. К одному из таких достояний относится родовое гнездо известнейшей династии белорусских магнатов Радзивиллов – дворцово‑парковый ансамбль XVI–XVIII вв. в г. Несвиже, включенный в список культурного наследия ЮНЕСКО.

Одним из элементов дворцово‑паркового ансамбля, подлежащих реставрации, является комплекс зданий с оригинальной плиткой для настила полов, произведенной в Италии в XIX столетии.

Исследование плиток с реконструируемого объекта показало, что изделия имеют двухслойную структуру. Лицевой слой тонкозернистый, плотноспекшийся, однородный с бархатистым блеском и гладкой поверхностью. Толщина его составляет 2–3 мм. Плитки имеют как однотонную, окрашенную в белый, серый и черный цвета, так и декорированную меандровым орнаментом лицевую поверхность. Рисунок на плитках создан с помощью объемно-окрашенных керамических масс.

Нижний слой – основа керамической плитки-оригинала – имеет толщину 11–13 мм и представлен грубозернистой керамической массой желтоватого цвета. Граница между слоями четкая, но неровная. Отчетливо видны включения зерен шамота размером до 1 мм, равномерно распределенные в материале.

Согласно данным рентгенофазового анализа, выполненного на дифрактометре D8 ADVANCE, основными кристаллическими фазами в материале лицевого и основного слоя являются силлиманит, присутствуют также муллит, α-Al₂O₃ и α-кварц. Рентгенограммы обоих слоев близки по фазовому составу, однако в лицевом слое преобладает стекловидная составляющая.

Основные физико-химические показатели плиток-оригиналов были определены в соответствии с ГОСТ 6787 (27180): водопоглощение составило 4,9–5,1 %, истираемость – 0,19–0,21 г/см ², предел прочности при изгибе – 19–20 МПа. Блеск лицевого слоя находился в пределах 7–10 %.

Указанные особенности плиток создают определенные сложности в их производстве. Для обеспечения прочного сцепления между слоями необходимо использование материалов, имеющих близкие показатели по воздушной и огневой усадкам, скорости влагоотдачи, а также температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). Несогласованность данных параметров может вызвать расслоение и деформацию плитки.

На первоначальном этапе была рассмотрена возможность изготовления двухслойных плиток методом пластического формования. В результате проведенных исследований выявлена нецелесообразность применения данного метода для производства двухслойных орнаментированных плиток. Различие в скорости влагоотдачи грубозернистой и тонкозернистой масс, а также отсутствие прочного сцепления на границе контакта двух слоев обусловили расслоение плиток. Кроме того, повышенная склонность к деформации пластических масс на стадии формования приводила к несоблюдению точности геометрических размеров элементов орнамента.

С целью устранения указанных недостатков было решено использовать метод полусухого прессования.

Для изготовления плиток по технологии полусухого прессования базовую керамическую массу для нижнего, а также лицевого слоя серого и черного цветов синтезировали на основе системы, включающей следующие сырьевые компоненты: глины огнеупорные «Керамик-Веско» Веселовского месторождения и ДНПК Новорайского месторождения (Украина), каолин глуховецкий (Украина), пегматит вишневогорский (Россия), песок кварцевый новоселовский (Украина). Для создания необходимой цветовой гаммы лицевого слоя плиток для полов использовались различные комбинации пигментов (черный № 1063 Дулевского красочного завода (Россия) и № 15/655 (Италия)).

Получение лицевого слоя белого цвета, характеризующегося повышенной белизной, составляющей 56–58 %, осуществлялось на основе глины огнеупорной Часов‑ярского месторождения и ДН‑2 Новорайского месторождения (Украина), каолина глуховецкого, песка кварцевого новоселковского (Украина), полевого шпата вишневогорского (Россия) с добавками небольших количеств глинозема и циркосила (до 3 %).

В качестве электролита для приготовления шликера применялся триполифосфат натрия в количестве 0,3–0,35 % сверх 100 %.

Опытные образцы готовились методом полусухого прессования при давлении 25–30 МПа и влажности массы 5 %. Сушка образцов производилась в сушильном шкафу при температуре 105 ± 5  ⁰C до остаточной влажности не более 1,5 %. Обжиг полуфабриката изделий осуществлялся в электрической печи при экспериментально установленных оптимальных параметрах термической обработки: температура обжига – 1150 ± 10  ⁰C, продолжительность изотермической выдержки при максимальной температуре – 40 мин.

Разработанные оптимальные составы масс характеризуются общей линейной усадкой

7,3 ± 0,1 %, водопоглощением не более 0,3 %, кажущейся плотностью около 2400 кг/м ³, открытой пористостью 0,6–0,7 %, пределом прочности при изгибе более 40 МПа, истираемостью менее 0,05 г/см², блеском 4–8 %, ТКЛР (7,0–7,2)•10–6 К‑1, температурой обжига 1150  ⁰C и цветом, соответствующим образцу-оригиналу.

Синтезированные материалы обладают плотноспекшейся структурой, представленной аморфизированным веществом с равномерно распределенными кристаллическими образованиями, армирующими материал, что позволяет добиться высокого качества лицевой поверхности.

В выбранной системе процесс спекания синтезированных керамических масс происходит с участием жидкой фазы, играющей роль связки. Особенностью синтезированных керамических масс является необходимость уплотнения черепка в течение 30–40 мин. без коробления и его деформации под действием силы тяжести. В процессе обжига полевошпатовый расплав является цементирующим веществом, которое связывает частицы кристаллического вещества вследствие взаимодействия жидкой и кристаллической фаз. В результате исследований установлено, что в начальной стадии обжига (1000–1100  ⁰C) происходят твердофазовые процессы, главным образом термические изменения глинистого вещества с образованием анортита, первичного муллита и аморфного кремнезема. При дальнейшем повышении температуры полевой шпат плавится, и образующийся расплав, благодаря своей смачивающейся способности, вступает во взаимодействие с твердыми частицами глинистого остатка, в результате чего происходит смещение глинистых частиц, обуславливающее уменьшение пористости и уплотнение материала. С повышением температуры обжига до 1150  ⁰C ускоряется проникновение расплава внутрь глинистого остатка, интенсифицируются твердофазовые процессы, сопровождающиеся растворением первичного и кристаллизацией вторичного муллита. В результате образуется керамический черепок, состоящий из аморфизированного глинистого вещества, стекловидной составляющей, кристаллов остаточного кварца, вторичного муллита, анортита и некоторого количества остаточно-первичного муллита. Количество муллита скачкообразно увеличивается в интервале температур 1100–1150  ⁰C.

Для воссоздания орнаментального рисунка была предложена технология изготовления декоративных плиток для полов методом двухслойного полусухого прессования. Предложенный способ формования предусматривает использование шаблона-трафарета, контурно повторяющего орнаментированный рисунок и устанавливаемого в пресс-форму гидравлического пресса. Заполнение шаблона цветными пресс-порошками дает возможность воспроизводить геометрический рисунок любой сложности и цвета.

На комбинате декоративно-прикладного искусства им. А. М. Кищенко в г. Борисове изготовление двухслойных плиток по разработанной технологии осуществлялось следующим образом.

Для получения лицевого слоя белого цвета использовался белый пресс-порошок, для материала основного слоя – базовый. Указанные пресс-порошки готовились шликерным способом в производственных условиях ОАО «Керамин». Для получения серого и черного пресс-порошков в базовый добавляли черный пигмент в количестве 0,3 и 4,0 % соответственно. Смесь компонентов загружали в шаровую мельницу и подвергали мокрому помолу в течение 2 ч. Соотношение загружаемых материалов, воды и мелющих тел составляло 1,0 : 0,8 : 1,2. Шликер обезвоживали на фильтр-прессе. Полученные коржи высушивали и измельчали. Изготовленные пресс-порошки при необходимости доувлажняли до 5–5,5 % и после вылеживания в течение суток подавали на формование. При создании плиток использовался пресс-порошок с определенным гранулометрическим составом, характеризуемый следующей массовой долей остатка на ситах с сеткой № 1 < 3 %; № 0,5–3 – 15 % и № 025–55 – 75 %.

Формование двухслойных плиток производилось на прессах полусухого прессования следующим образом. Для изготовления однотонных плиток в пресс-форму объемным дозированием равномерным слоем высотой 5–8 мм засыпались пресс-порошки белого, серого или черного цвета. Затем слоем 22–25 мм засыпался базовый пресс-порошок. Для получения плотной заготовки плитки прессовали в 2 стадии при давлении первой ступени прессования 3–5 МПа, второй – 25–30 МПа.

Получение полуфабриката орнаментированных плиток осуществлялось с использованием съемных шаблонов и включало следующие стадии: засыпка цветных пресс-порошков в соответствующие ячейки шаблона, досыпка пресс-порошка основного слоя, извлечение шаблона из пресс-формы и непосредственно прессование при указанном выше давлении.

Сушку полуфабриката проводили при температуре 105 ± 5 ⁰С в течение 60 мин., обжиг – в камерной электрической печи при 1150 ± 10  ⁰C с выдержкой при максимальной температуре 40 мин.

Таким образом, разработанная технология получения однотонных и орнаментированных двухслойных плиток, внедренная на комбинате декоративно-прикладного искусства им. А. М. Кищенко в г. Борисове, позволила получить изделия, обладающие высокими эксплуатационными показателями, удовлетворяющими требованиям установленных критериальных параметров для плиток, доставленных с реконструируемого объекта.

Оригинальность предложенной технологии позволяет и в дальнейшем применять ее при изготовлении плиток для полов, предназначенных как для реставрации культурно-исторических объектов и памятников архитектуры, так и художественно-декоративного оформления помещений.

И. А. ЛЕВИЦКИЙ, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Технологии стекла и керамики» БГТУ;
Ю. Г. ПАВЛЮКЕВИЧ, к. т. н., доцент кафедры «Технологии стекла и керамики» БГТУ