1

 

CERAMIKA  I SZKŁO 

 

A. Wprowadzenie 

 

 

opracowano na podstawie m.in.: 

1.  Krzemień E.: Materiałoznawstwo. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1999. 
2.  Osiecka  E.:  Materiały  budowlane:  kamień,  ceramika  szkło.  Oficyna  Wydawnicza  Poli-

techniki Warszawskiej, Warszawa, 2003. 

3.  Praca  zbiorowa pod kier.  Małolepszego  J.:  Materiały  budowlane:  podstawy  technologii  i 

metody badań. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, 2004. 

4.  Praca  zbiorowa  pod  kier.  Stefańczyka  B.:  Budownictwo  ogólne.  Materiały  i  wyroby  bu-

dowlane, t. 1, Arkady, Warszawa, 2005. 

1.  Ceramiki  i  szkła  należą  do materiałów  inżynierskich  najwcześniej 

stosowanych przez człowieka i charakteryzujących się największa odporno-
ścią na działanie środowiska.  
 

 
Ceramika  należy  do  najstarszych  wyrobów  produkowanych  przez  czło-

wieka. W  Egipcie cegłę zwykłą stosowano  4000  lat, a kolorową 3000  lat p.n.e. 
Babilończycy już w XVIII w. p.n.e. swoje wyroby pokrywali glazurą. W Grecji 
w V w. p.n.e. stosowano dachówkę ceramiczną. Rzymianie przejęli od Greków 
produkcję cegieł i dachówek wzbogacając asortyment  wyrobów miedzy innymi 
o rury ceramiczne. W Polsce już w X w. w budownictwie obok kamienia stoso-
wano ceramikę. 

Materiały ceramiczne i szkła mogą mieć mniejszą wytrzymałość niż meta-

le,  ale 

nie mają  sobie równych  jeśli  chodzi  o odporność  korozyjną  i odporność 

na  ścieranie

.  W  ostatnich  latach  obserwuje  się  intensywny  rozwój  materiałów 

ceramicznych. Na przykład narzędzia tnące z sialonu (SiAlN). 

2.  Materiały  ceramiczne  ze  względu  na  kowalencyjny  i/lub  jonowy  cha-

rakter wiązań są zwykle: 

·  twarde (ceramiki są najtwardszymi ciałami stałymi),  
·  o dużej wytrzymałości na ściskanie, 

·  kruche (mało odporne na pękanie),  
·  o wysokiej temperaturze topnienia,  
·  małej przewodności cieplnej i elektrycznej, 
·  o dobrej stabilności chemicznej i cieplnej. 

 

 

2

 

 

Materiały  ceramiczne  i  szła  są  z 

natury  kruche

.  Zawsze  obecne  w  tych 

materiałach 

wady w postaci pustek, porów lub rys

, powodują, że materiał może 

ulec zniszczeniu na skutek 

pękania kruchego

. Liczba wielkości i rozmieszczenie 

wad  są  zmiennymi  losowymi,  a  więc  określenie  własności  mechanicznych  jest 
możliwe  tylko  metodami  statystycznymi  (zachowanie  mechaniczne  materiałów 
ceramicznych jest znacznie trudniejsze do przewidzenia niż zachowanie metali.  

 

 

Zależność naprężenia od odkształcenia zagęszczonego Al

2

O

3

  

 
Wpływ czasu na właściwości materiałów ceramicznych: 
-  w przeciwieństwie do metali wytrzymałość materiałów ceramicznych i szkieł 

może  się  zmniejszać  z  upływem  czasu

  bez  działania  naprężeń  cyklicznych. 

Zjawisko to jest nazywane 

zmęczeniem statystycznym

 zależy od rodzaju śro-

dowiska,  

 

3

 

-  zmniejszenie  wytrzymałości  szkła  w 

wilgotnym  środowisku  wraz  z  upły-
wem czasu działania stałego obciąże-
nia, 

 

-  rola  wody  w  powolnym  wzroście 

pęknięcia  w  ceramikach  tlenko-
wych, 

 
Częste  stosowanie  materiałów  ceramicznych  w  wysokich  temperaturach 

w  połączeniu  z  ich  kruchością  sprawia,  że  głównym  problemem może być  ich 
pękanie wywołane tzw. szokiem termicznym. 

 

Twardość  i wysoka wytrzymałość  na  ściskanie

  sprawiają,  że  ceramiki  są 

odporne  na  zarysowania  lub  wgniecenia.  Dlatego  mogą  być  stosowane  do  bu-
dowy łożysk. 

Odporność  na  ścieranie  rośnie  wraz  z  twardością

  i  dlatego  najtwardsze 

materiały ceramiczne, a mianowicie: diament (C), węglik krzemu (SiC) i korund 
(Al

2

O

3

) są stosowane jako materiały ścierne do cięcia, szlifowania i polerowania 

metali 

3. Wyróżnia się: 
· 

ceramiki  krystaliczne

,  obejmują  tradycyjne  krzemiany  oraz  wiele  tlen-

ków i związków nie zawierających tlenu; są szeroko stosowane w techno-
logiach tradycyjnych i nowoczesnych, 

· 

szkła

 są niekrystalicznymi ciałami stałymi o składzie zbliżonym do ce-

ramik krystalicznych, 

 

 

4

· 

tworzywa szklano-ceramiczne

 (dewitryfikaty) są typem ceramik krysta-

licznych;  kształtuje  się  je  w  stanie  szklistym,  a  następnie  są  poddawane 
obróbce mającej na celu spowodowanie krystalizacji. 

 

 

5

 

 

 

B.   Materiały ceramiczne  

     

w budownictwie  

   

i inżynierii środowiska 

 
 
 

1. Określenie 

Ceramiką  nazywamy  wyroby  uformowane  z  glin  naturalnych  lub  ich 

mieszanin (mas plastycznych), a następnie wysuszone i wypalone lub spieczone, 
w wyniku czego uzyskują na stałe twardość i odporność mechaniczną.  

 

 

2. Surowce 

Tradycyjne materiały ceramiczne wytwarzane są z gliny, do której dodaje 

się krzemionkę oraz skaleń:  

1.  głównym  składnikiem  gliny  jest  kaolinit  (Al

2

O

3

  ∙  2SiO

2

  ∙  2H

2

O),  który 

łącznie  z  wodą  służy  w  początkowym  etapie  wytwarzania  wyrobu  jako 
lepiszcze wiążące proszek materiału  

2.  wypełniacz, którym jest krzemionka (SiO

2

).  

3.  skaleń  –  glinokrzemian głównie  potasu  i sodu  (K,Na)

2

O  ∙  Al

2

O

3

 ∙ 6SiO

2

 

oraz wapnia  CaO ∙ Al

2

O

3

 ∙ 2SiO

2

 – spełnia rolę topnika tworzącego pod-

czas wypalania wyrobów z gliny fazę szklistą powodującą trwałe związa-
nie proszku. 

 

 

Zawartość poszczególnych minerałów w typowych wyrobach z gliny 

 

6

 

Przybliżone składy niektórych ceramik krzemianowych 

 

Podział surowców stosowanych do produkcji wyrobów ceramicznych: 

a) plastycze – gliny, iły, łupki ilaste itp. W zależności od stopnia plastyczności 
rozróżnia się gliny i iły tłuste oraz chude (mało plastyczne). Surowce te po zaro-
bieniu  wodą  dają  się  formować,  pod  obciążeniem  odkształcają  się  plastycznie. 
W  wyniku  wypalenia  nieodwracalnie  tracą  zdolność  do  odkształceń  plastycz-
nych. W temperaturze 800-900°C w wyniku połączenia tlenków glinu i krzemu 
powstają nowe związki nadające wyrobom odporność mechaniczną i chemiczną. 
 
b) nieplastycze – dodatki  schudzające i topniki, a także szkliwa i surowce spe-
cjalne.  
 
Dodatki schudzające to piaski kwarcowe, łupki kwarcytowe, szamot i inne ska-
ły krzemianowe oraz popioły lotne. Surowce te ograniczają skurcz glin tłustych, 
a tym samym zmniejszają ryzyko uszkodzenia wyrobów w czasie ich suszenia i 
wypalania.  
 
Topniki  stosuje  się  w  celu  obniżenia  temperatury  spiekania  mas  i  topienia 
szkliwa. Jako topniki stosuje się najczęściej skalenie: glinokrzemiany potasu czy 
sodu,  rzadziej  glinokrzemiany  wapnia.  Rolę  topników  spełniają  również  natu-
ralne domieszki występujące w surowcach, takie jak tlenki żelaza, tlenek wapnia 
czy magnezu. 
 
Szkliwo zwane także glazura, jest cienką warstwą masy szklanej naniesionej na 
powierzchnie  wyrobu,  a  następnie  stopioną  w  odpowiedniej  temperaturze. 
Szkliwo tworzy na powierzchni wyrobu  warstwę nieprzepuszczalną dla cieczy i 
gazów, równocześnie zapewniając powierzchni gładkość i barwę. 
 

3. Ogólna klasyfikacja ceramiki budowlanej 

Podział ze względu na skład surowców: 

 

7

·  ceramika  czerwona,  produkowana  z  niskotopliwych  glin  żelazistych  i 

wapnistych  z surowcami  schudzającymi;  temperatura wypalania jest rzę-
du 900°C; po wypaleniu uzyskuje się porowate wyroby o zabarwieniu od 
kremowego do ciemnoczerwonego, 

·  ceramika  czerwona  poryzowana,  otrzymywana  przez  dodanie  do  glin 

składników  łatwopalnych,  jak  np.  trociny  czy  mączka  drzewna,  które  w 
czasie  wypalania  wyrobu  ulegają  utlenianiu,  pozostawiając  mikropory 
zmniejszające współczynnik przewodności cieplnej wyrobu, 

·  klinkier, otrzymywany zwykle z glin jednego gatunku lub mieszanin glin 

z  dodatkami  schudzającymi;  po  spieczeniu w temperaturze  1150-1250°C 
uzyskuje się wyroby o bardzo małej nasiąkliwości i dużej wytrzymałości, 

·  kamionka, wytwarzana z glin kamionkowych  z dodatkiem z materiałów 

schudzających  i  topników;  po  spieczeniu  w  temperaturze  1160-1300°C 
otrzymuje się wyroby o dużej wytrzymałości, barwy od ciemnoczerwonej 
do brązowej, które są zwykle szkliwione, 

·  ceramika ogniotrwała,  otrzymywana  z  glin ogniotrwałych  z  dodatkiem 

surowców mineralnych; w zależności od rodzaju dodatków otrzymuje się 
wyroby  szamotowe, krzemionkowe, magnezytowe i inne; wyroby  te cha-
rakteryzują  się  wysoką  ogniotrwałością,  ich  temperatura  topnienia  prze-
kracza zwykle 1580°C, 

·  fajans, produkowany z biało wypalających się glin w temperaturze około 

1350°C,  z domieszką skaleni lub kwarcu; wyroby  fajansowe są szkliwio-
ne, 

·  porcelana, wytwarzana z kaolinu, kwarcu i skaleni; po spieczeniu czerep 

w  kolorze  białym  charakteryzuje  się  zwartością  i  dużą  odpornością  me-
chaniczną, wyroby porcelanowe są szkliwione, 

·  porcelit, otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ila-

ste, kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione. 

Podział ze względu na strukturę: 

·  wyroby o czerepie porowatym, o porowatości do 22%, zwane ceramiką 

czerwoną; do grupy tej zalicza się między innymi: 
-  wyroby  ceglarskie,  jak  cegły  pełne,  kratówki  i  dziurawki,  pustaki 
ścienne  i stropowe, pustaki do przewodów  kominowych, dachówki  i gą-
siory, rurki drenarskie, 
- wyroby szkliwione, jak np. kafle, płytki ścienne, i elewacyjne, 
-  wyroby  ogniotrwałe,  jak  cegły  i  kształtki  szamotowe,  krzemionkowe, 
czy dolomitowe, 

·  wyroby o strukturze spieczonej, o nasiąkliwości zwykle ok. 6%, a mak-

symalnie  do  13%,  do  których  zalicza  się  cegły  kominowe,  klinkier  dro-
gowy,  płytki  klinkierowe,  kamionkowe  rury  i  kształtki  kanalizacyjne, 
płytki kamionkowe, 

·  wyroby z ceramiki półszlachetnej, do których zalicza się:  

 

8

- wyroby fajansowe, np. płytki ścienne, 
- wyroby sanitarne, jak umywalki itd., 

·  wyroby z ceramiki szlachetnej, np. porcelanowe. 

 

 

 

Podział w zależności od technologii wytwarzania i funkcji użytkowych 

 

4. Produkcja wyrobów ceramicznych 

Zasadnicze  etapy  procesów  technologicznych  (wspólne  dla  wszystkich  wyro-
bów): 

·  przygotowanie mas; 
- masy lejne,  
- masy plastyczne,  

 

9

- masy sypkie,  
·  formowanie; 
·  suszenie i wypalanie; 
Proces wypalania przebiega w kilku fazach: 
- w pierwszej fazie (w strefie podgrzewania)  
- w drugiej fazie (w strefie wypalania), 
- fazie spiekania,  
 

5. Wady i zalety wyrobów ceramicznych 

Wady spowodowane zanieczyszczeniem surowców: 

·  węglan wapnia, 
·  siarczki, 
·  sole rozpuszczalne w wodzie, 

·  zanieczyszczenia mechaniczne i organiczne. 

Wady produkcyjne mogą powstać na skutek błędów popełnionych: 

·  na etapie przygotowania masy, 
·  na etapie formowania wyrobów: 
- struktura pasmowa, 
- struktura S, 
- struktura spiralna, 
- zadziory, 

·  na etapie suszenia półfabrykatów: 
- spękania na powierzchni, 
- deformacje wyrobu, 
- pęcherze lub odpryski na powierzchni, 
- siatka włoskowatych rys na powierzchni, 
- rysy promieniste, 

·  na etapie wypalania półfabrykatów: 
- spękania i zarysowania, 
- spęcznienie i spękania, 
- niedopalenie czerepu, 
- przepalenie czerepu, 
- zarysowania włoskowate.