Шамотные массы: фракции, упаковка зерна, скульптура и крупные формы

Шамот добавляют «для крупных вещей» и «чтобы не трескалось» — на этом знания обычно заканчиваются. Между тем в шамоте важно всё: доля, размер зерна, его форма, соотношение фракций и даже то, из чего его намололи. Огнеупорщики считают всё это давно и точно. Разберём, что шамот на самом деле делает с массой, как читать его фракции, почему крупное и мелкое зерно работают лучше среднего и можно ли молоть шамот из собственного боя.

Что такое шамот

Шамот (англ. grog) — дроблёная обожжённая керамика: огнеупорная глина, кирпич, бой неглазурованных изделий, капсели. Стандартный покупной шамот, по данным справочника CAMEO Музея изящных искусств Бостона, делают из огнеупорной глины — она относительно инертна при большинстве температур обжига. Кирпичные заводы мелют собственный брак вместе с глиной. На производстве кускового шамота из каолина зона спекания вращающейся печи — около 1300–1400 °C.

Приём древний: в Чехии и Моравии дроблёная керамика встречается в черепках уже с неолита, а в энеолите — почти в каждом черепке на ряде памятников.

Одна экономическая деталь: при помоле обожжённой керамики преобладает мелочь, выход крупных классов ниже, поэтому крупный шамот дороже (Тони Хансен, Digitalfire).

Как читать фракцию

Российский ГОСТ 23037-99 на огнеупорные заполнители (заменён в 2023 году новой редакцией, которую мы не читали) делит зерно на классы по максимальному размеру: 25 и 15 мм — грубозернистый, 10 — крупнозернистый, 5 — среднезернистый, 2 и 1 — мелкозернистый, 0,5 — тонкозернистый, 0,06 мм — микрозернистый. Зёрен крупнее предела допускается не больше 5 %.

Американские источники считают в меш — числе ячеек сита на дюйм. Чем больше число, тем мельче зерно. Перевод по стандартной шкале сит:

Запись «20–40» значит, что отобрано зерно мельче 20 и крупнее 40 меш, то есть примерно 0,43–0,85 мм; «20x48» — примерно 0,3–0,85 мм. Запись «−40», по Хансену, — всё мельче 40 меш вплоть до пыли; так же на форуме объясняют и «40F». По классификации Фурнье (через CAMEO): проходит 8 меш — крупный шамот, 14 меш — средний, 30 меш — мелкий, 50 меш — уже «глиняная пыль». Джон Бритт (Ceramics Monthly, 2011) указывает типичные шамоты как 12–80 меш, то есть примерно 0,18–1,7 мм.

Что шамот делает с массой

• Усадка при сушке снижается, но меньше, чем принято думать. Хансен приводит массу F96: без 20 % заполнителя (мелкий песок и немного шамота) её усадка при сушке была бы 8 %, с ним — 6,5 %. Десять процентов молохита 50–80 меш снизили усадку всего на 0,5–0,75 % и уменьшили прочность сырца; вывод Хансена — улучшения сушки нет. В тесте на растрескивание при сушке с 20 % шамота трещина стала уже, но не исчезла.
• Огневая усадка от небольших добавок почти не меняется, от больших — заметно. Масса с огневой усадкой 5,5 % после добавки 15 % шамота 20–48 меш и 15 % песка 70 меш даёт 2,5 % при той же степени спекания.
• Прочность — спорный пункт. Хансен пишет, что шамот может снижать прочность сырца, но трещины в нём идут извилистым путём, а спёкшиеся массы с шамотом могут быть намного прочнее после обжига. Опытный участник форума Ceramic Arts Daily называет шамот «обоюдоострым мечом»: глина вокруг обожжённого зерна садится, и вокруг него появляются микротрещины. Английская Википедия тоже пишет, что шамот может снижать прочность обожжённого черепка.
• Термостойкость — главная причина шамота в огнеупорной и жаростойкой посуде: зёрна останавливают микротрещины. Подробно — в нашей статье о жаростойких массах.

Наглядный опыт с каолином (Iraqi Journal for Mechanical and Material Engineering, 2011; шамот мельче 75 мкм, обжиг 1200 °C): без шамота общая усадка 28 %, с 10 % — 18 %, с 20 % — 14,3 %, с 30 % — 9,8 %. Прочность на сжатие максимальна при 20 %: 61,5 МПа против 52,1 без шамота; при 30 % она падает до 53,2 МПа, а образцы с 35–45 % рассыпались при обжиге. Часть других данных этой статьи внутренне сомнительна, поэтому считаем её иллюстрацией, а не нормой.

Сколько добавлять

Ориентиры Хансена: массы для круга — меньше 20 %, скульптурные — 20–30 % (на соседней странице он же пишет 15–25 %), плиточные — до 50 %, спецмассы почти без усадки для прессования — 90 % и больше. CAMEO называет типичной долю около 10 %. Скульптурная масса Вэла Кушинга, по Бритту, содержит 12 % мелкого, 3 % среднего и 15 % крупного шамота — итого 30 %, причём средней фракции почти нет.

Если вводите шамот в покупную массу, считайте от сухого вещества. Пример Хансена: в 5 кг пласта при влажности около 20 % — примерно 4 кг сухого. 10 % от сухого — 400 г; чтобы шамот составлял 10 % итоговой смеси, нужно 4000 × 10 / 90 ≈ 444 г. По опыту керамистов, начинают с 3–5 % и испытывают до 10 %. На форуме же напоминают, что шамот повышает водопоглощение, а покупные терракотовые массы с шамотом часто рассчитаны примерно на два конуса выше.

Для рук важна и фракция. Масса с шамотом 20–40 меш, по Хансену, остаётся довольно гладкой; масса для раку с половиной шамота, по отзывам на форуме, — «жестокая», а зерно крупнее 2 мм тяжело и для рук, и для круга.

Упаковка зерна: крупное плюс мелкое

Здесь стоит поучиться у огнеупорщиков. Одинаковые шары при случайной плотной укладке занимают только около 64 % объёма — остальное пустоты. Если к крупной фракции добавить мелкую, она заполняет промежутки, и упаковка становится плотнее. Для смесей с близкими размерами частиц оптимум — поровну; с ростом разницы в размерах оптимум смещается к преобладанию крупной фракции (работы Фурнаса и последователей).

Инженеры описывают состав кривой Андреасена: доля частиц мельче размера D равна (D/Dmax)^q × 100 %. Для максимальной плотности показатель q берут около 0,37, для максимальной текучести (самотёчные смеси) — около 0,22.

Как это выглядит на практике:

• Тяжёлые огнеупоры (по Хансену): 50 % шамота 4–16 меш (примерно 1,2–4,8 мм), 10 % — 20–36 меш (около 0,5–0,85 мм) и 40 % — 40–60 меш (0,25–0,43 мм) на дефлокулированном шликере как связке. Крупного и мелкого много, среднего мало.
• Муллитокорундовый огнеупор («Новые огнеупоры», 2016): шамот фракций 3–2 мм — 15 %, 2–1 мм — 35 %, 1–0,5 мм — 45 % (каждая ±5 %), шамота 90 % на 10 % каолина.
• Безобжиговые изделия из лома кирпича (Известия вузов, 2017): прерывистая гранулометрия 1,0–0,63 мм и мельче 0,4 мм в соотношении 30:70.

Связки при этом должно хватать. В опытах пакистанского института PCSIR (1964) смесь 90 % шамота и 10 % огнеупорной глины не удалось отформовать в устойчивый кирпич; долю связки пришлось поднять до 45 %.

Для гончара мы делаем отсюда два вывода. Первый: смесь из двух фракций, крупной и мелкой, по нашему мнению, лучше одной средней — похоже устроен и рецепт Кушинга. Второй: широкое распределение частиц помогает и при сушке. Хансен описывает, как каменная масса с более широким распределением частиц высохла без трещин, хотя её усадка (7 %) была больше, чем у пластичного фарфора (6 %).

Форма зерна тоже важна: угловатые частицы работают в массе лучше окатанных. По опыту керамистов, шамот поэтому не мелют в шаровой мельнице — мокрый помол скругляет грани до «шарикоподшипников», и масса хуже держит форму.

Скульптура и крупные формы

Пример спёкшейся скульптурной массы Хансена L3118J (конус 10, восстановление): 40 % пластичной глины (ball clay), 10 % пластичного каолина, 20 % красной иллитовой глины Redart, 5 % кварца и 25 % шамота 20–48 меш. Хансен показывает из неё тонкостенное изделие высотой около 20 см; масса полностью спекается на конусе 10. Метод Craft Crank, на котором она основана, ещё радикальнее: шликер из 75 % ball clay и 25 % шпата, затем в пласт вминают столько же шамота по массе, сколько было глинистой части.

Крупным формам шамот помогает сохнуть равномернее и выпускает газы через крупные зёрна — меньше растрескивания и расслоения. Но толстая вещь всё равно сохнет долго: фарфоровая тарелка Хансена диаметром 35 см с дном толщиной 2,5 см сохла десять дней под тканью и плёнкой.

Для крупной скульптуры важна ещё стойкость к скалыванию. Хансен пишет, что если закрытая пористость массы больше 1 %, ей нужны и открытые, и закрытые поры, и предлагает проверку: водопоглощение после 5 часов кипячения должно быть на 20 % больше, чем после 24 часов холодного замачивания.

Молохит и кианит

Молохит — белый искусственный шамот из обожжённого низкожелезистого каолина Корнуолла. Производитель Imerys указывает обжиг около 60 часов с пиком 1500 °C. Фазовый состав, по данным поставщика Valentine Clays, — 55 % муллита и 45 % аморфной фазы; Хансен пишет о 95 % муллита, и данные поставщика выглядят надёжнее. Твёрдость 7–8 по Моосу, пористость 10 %. По опыту керамистов, мелкий шамот для фарфора проще купить молохитом, чем молоть самому.

Кианит ведёт себя иначе: при обжиге он переходит в муллит (начиная примерно с 1100 °C) и расширяется на 4–8 %. Хансен советует для круговых масс 10–15 % кианита 48 меш, для термостойких — до 30 %, предпочтительно крупного.

Шамот из своего боя

Огнеупорный ГОСТ прямо допускает заполнители из брака и лома с пометкой «у» и водопоглощением до 15 % (у плотных марок — 6–12 %). Но утиль гончара — не огнеупор: бисквит, обожжённый около конуса 06–04 (около 995–1060 °C), по Хансену, имеет пористость обычно больше 15 %. Значит, такой шамот, по нашей оценке, пористее покупного огнеупорного.

Обратная опасность — пережжённый брак. По опыту керамистов, дробя его, можно внести в массу кристобалит. По Хансену, кристобалит образуется в массах выше 1100 °C, а его инверсия около 200 °C даёт скачок объёма 0,8 % и делает черепок склонным к трещинам при остывании.

Как делают на практике (по опыту керамистов): бьют бисквит в плотном мешке киянкой или растирают в ступке и сеют, лучше мокрым способом через оконную сетку — глазурное сито крупкой забивается. Мокрый способ важен не только для удобства: пыль алюмосиликатных заполнителей, по ГОСТ 23037, обладает фиброгенным действием, предельно допустимая концентрация — 2 мг/м³.

Кварцевый песок иногда ставят вместо шамота: по опыту керамистов, песок 70 меш глаже и мягче для рук. Но у кварца очень высокое тепловое расширение, и его крупные зёрна, не растворившиеся в стекле, дают скачок объёма около 0,5 % при инверсии около 573 °C — отсюда трещины при остывании.

Шамот и оборудование

Шамот абразивен. Отраслевой поставщик добавок Borregaard относит его вместе с песком, кварцем и молотым кирпичом к материалам, которые постоянно истирают лопасти шнека, пока по ним идёт масса; изношенные детали выводят изделия из допусков. У Хансена есть отдельная фотография износа шнеков при пуговании шамотных масс. Цифр ресурса в часах мы в открытых источниках не нашли.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Grog (glossary и material), Sculpture, Molochite, Kyanite, Particle size distribution, Drying performance, Silica sand, Quartz inversion, Cristobalite inversion, Bisque, фото 1052 и 2033; ГОСТ 23037-99 «Заполнители огнеупорные»; Сидорина Е. А. и др., «Новые огнеупоры», 2022, № 5; Худяков А. Ю. и др., «Новые огнеупоры», 2018, № 8; Кащеев И. Д. и др., «Муллитокорундовый материал на основе высокоглиноземистого шамота марки RASC», «Новые огнеупоры», 2016, № 5; Гладких И. В., «Известия вузов. Чёрная металлургия», 2017, № 11; Silva A. P. et al., J. Eur. Ceram. Soc. 30 (2010); Brouwers H. J. H., Phys. Rev. E 76 (2007); Reis S. D. S. et al., arXiv:1109.0966; John Britt, «Mesh Size» (Ceramics Monthly, 2011); CAMEO, Museum of Fine Arts Boston — Grog; Wikipedia — Grog (clay); K. H. Mohammed, Iraqi J. Mech. Mater. Eng., 2011; Ashraf M. et al., PCSIR, 1965; Hložek M. et al., euroREA, 2006; Valentine Clays — Molochite TDS; Imerys — Molochite; J. Savage, Borregaard BioKeram, 2017; форумы Ceramic Arts Daily — «How much grog for a claybody», «Refining fine grog», «Grog in clay for throwing».