Сушка без трещин: физика и рабочие схемы

Изделие треснуло в сушке — и первым делом хочется сушить медленнее. Но медленная сушка трещины не лечит, если одна часть изделия по-прежнему обгоняет другую. Трещину даёт не скорость, а неравномерность. Разберём, что происходит с водой в глине, почему усадка заканчивается задолго до того, как изделие высохнет, какие массы и формы опасны и как устроить сушку в мастерской: плёнка, влажные камеры, гипс, досушка в печи.

Главный принцип

Тони Хансен (Digitalfire) формулирует коротко: дело не в скорости сушки, а в её равномерности. Ни одна часть изделия ни в какой момент не должна заметно опережать другую. По его наблюдениям, разницы во влажности около 3 % между самым сухим и самым влажным участком уже достаточно для напряжения. Возникнув, оно не исчезает, а потом снимается трещиной в самом тонком и слабом месте.

Физику объясняет теория сушки Джорджа Шерера (Journal of the American Ceramic Society, 1990). Испаряется вода с поверхности, и именно там натяжение жидкости в порах максимально. Поверхностный слой сжимается сильнее, чем остальное тело, и эта разница рвёт материал. Белорусский практикум Дятловой и Бирюк добавляет: трещина появляется, когда напряжение превышает прочность сырца.

Сохнут первыми открытые и тонкие места — край, ручки, носики. Они «убегают» вперёд от толстых участков, прежде всего от донца. Почти все практические приёмы ниже — способы притормозить быстрое и подогнать медленное.

Два вида воды

Вода в пластичной массе работает по-разному. Учебная литература различает две её части.

• Усадочная вода — плёнки между частицами. Уходит первой, и изделие садится на её объём: частицы сближаются.
• Вода пор — то, что остаётся, когда частицы уже соприкоснулись. Уходит на заключительной стадии; объём больше не меняется, на месте воды появляются воздушные поры.

Влажность, при которой усадка заканчивается, называют критической. Для разных масс она разная: британский производитель Valentine Clays называет 12–14 %, практикум БГТУ — начало удаления поровой воды «обычно с 8–13 %», в лабораторном опыте с каолином конец усадки пришёлся примерно на 12 %. В мастерской этой точке соответствует кожетвёрдое состояние: изделие держит форму, по нему можно точить, и дальше оно почти не садится.

Из этой кривой вытекает практическое правило, которое вузовские учебники формулируют прямо: опасные напряжения возникают только пока уходит усадочная вода. После кожетвёрдого состояния сушить можно гораздо смелее — трещины здесь появляются уже не от усадки, а от пара, если изделие слишком рано и слишком сильно нагреть.

Сколько садится масса

Ещё несколько полезных цифр. Мягкая масса садится сильнее: масса с 6 % усадки в обычной консистенции при мягкой может дать 7 % и больше. Литые изделия, по Valentine Clays, содержат 28–30 % воды, экструдированные — 19–22 %. Разброс усадки от партии к партии одной массы, по Lakeside, — 1–2 %.

В сравнительном тесте Хансена фарфор с усадкой 6 % трескался по ручкам и донцам, а грубая каменная масса с 7 % — нет. Цифра усадки не всё: важны прочность сырца и проницаемость. Хансен формулирует так: меньшая усадка обычно облегчает сушку, но масса без прочности в сухом состоянии сохнет плохо, а прочные массы пластичнее и сохнут медленнее.

Помогает ли шамот

Источники расходятся. Советские учебники и кирпичная практика однозначно говорят: отощители — песок, шамот — снижают усадку и чувствительность к сушке. Дэйв Финкельнбург (Ceramics Monthly) считает шамотированную каменную массу прочнее в сырце. А в тесте Хансена 10 % молохита снизили усадку всего на 0,5–0,75 %, но ослабили сырец, и в целом сушка не улучшилась. Его вывод: для посуды шамот не обязателен, если сушить равномерно. Подробнее о шамоте — в отдельной статье.

Чувствительность к сушке

В отечественной практике у глины меряют коэффициент чувствительности к сушке. По ГОСТ 5499 это отношение объёмной воздушной усадки к пористости высушенного образца: меньше 1 — малочувствительные глины, 1–2 — среднечувствительные, больше 2 — высокочувствительные. У НИИ стройкерамики граница высокой чувствительности ниже — 1,5. Как определить этот показатель упрощённо, методом времени до трещины, — в статье об испытаниях глины по ГОСТ 21216.

Форма: толщина, ручки, донца

• Ровная стенка. Хансен советует выравнивать толщину и избегать резких вогнутых углов: трещины начинаются с них. Его пример: фарфоровая тарелка диаметром около 36 см с донцем 2,5 см и краем вчетверо тоньше сохла около десяти дней, несколько из них — под тканью и плёнкой.
• Донце обтачивают до толщины стенок. Финкельнбург добавляет, что легче всего сохнут формы, близкие к шару или кубу.
• Ручки Хансен лепит рано, как только край окреп достаточно, чтобы держать форму, — у него это около двух часов. Кружки сушит ручками к центру и кромкой вниз на гладких батах. Изгибы ручки можно покрыть восковой эмульсией, чтобы она не обгоняла тело. Мастерская, сосредоточившаяся на равномерности, по его данным, снизила брак по ручкам до менее чем 1 % и при этом сушила быстрее.
• Длинные ручки с двумя точками крепления особенно уязвимы: точки сохнут с разной скоростью (Снейл Скотт, Ceramic Arts Network).
• Прилипшее дно не садится. Опыт с экструдированным фарфоровым жгутом показал: если основа держит изделие трением, продольная усадка падает до менее чем 1 %, а поперечная остаётся около 6 %. Отсюда трещины у дна, приклеенного к доске.
• Ориентация частиц. Пластинки глины выстраиваются при формовке, и усадка становится разной по направлениям. У экструдированного фарфорового жгута она составила 3,8 % вдоль и 5,7 % поперёк. Хансен советует уплотнять широкие донца — это выравнивает ориентацию.

S-трещинам в донце отведён раздел в атласе дефектов. Здесь только суть: по Саймону Левину (Ceramic Arts Network), край сохнет первым, влажный центр тянется к «застывшему» краю и рвётся. Сам Левин делает внутреннюю часть ножки самой тонкой частью изделия и сушит медленно, вверх дном.

Рабочие схемы мастерской

Плёнка и укрытия

Партия под плёнкой или тканью сохнет медленнее и ровнее. Хансен держит её укрытой, пока не закончится усадка, а потом выставляет на открытый воздух. Несколько тонкостей от практиков:

• Какая плёнка. Саншайн Кобб (Pottery Making Illustrated, 2020) считает лучшей плёнку из химчистки: мягкая, почти герметичная, прозрачная. Магазинные пакеты пропускают воздух, плёнка от брикетов глины слишком жёсткая.
• Конденсат. Снейл Скотт кладёт между глиной и плёнкой слой ткани или бумажных полотенец и меняет его на сухой. По опыту керамистов, капля конденсата с плёнки может стать началом трещины на блюде.
• Полоски плёнки шириной 7–12 см, сбрызнутые водой, кладут только на быстро сохнущий край (по опыту керамистов). Переворачивают изделие, лишь когда край достаточно окреп.
• Сквозняк — враг. Направленный поток от вентилятора или кондиционера, по Кобб, сушит быстро и неравномерно. Во влажном климате под плёнкой изделие может даже стать влажнее из-за конденсата.

Влажная камера из подручного

Майкл Боссин (Ceramic Arts Network) накрывает изделие перевёрнутым пластиковым ведром, не касаясь работы: для кружки — банка из-под творога, для скульптуры — мусорный бак. Рядом ставит блюдце с водой. Одно-два просверленных отверстия превращают камеру в медленную управляемую сушилку, а без отверстий работа может ждать в «анабиозе» несколько недель. Энни Крицберг обтягивает плёнкой целый стеллаж, делает «дверь» на прищепках и ставит внутрь миску воды или мокрые губки. Брызгать водой лучше на плёнку, а не на изделия.

Гипс

Гипсовые баты в первые часы после точения вытягивают воду из донца — это выравнивает перепад «дно — край» у больших блюд и пиал. Хансен описывает схему: гипсовый стол и картонная коробка, выстланная вощёной бумагой; за ночь кружки отдают воду, а гипс вытягивает её и из воздуха, и из толстых донец. По опыту керамистов, пластиковые баты дают больше трещин, чем гипс или древесноволокнистая плита, которые забирают воду из дна.

Досушка в печи

Изделие редко входит в печь полностью сухим, поэтому досушка в печи — фактически последняя стадия сушки. Здесь источники заметно расходятся по температуре:

• Ниже кипения. Кобб и Lakeside держат 82–93 °C, накрыв изделие плёнкой с отверстием наверху; Кобб предупреждает, что до кипения доводить нельзя. Ориентир Кобб — около часа на каждые 13 мм толщины стенки.
• Чуть выше кипения. Хансен держит 116–121 °C много часов или даже суток и считает, что пар при этой температуре изделие не разрушает. Его пример для кружки — час при 116 °C, затем обычный обжиг.

Общее у обоих подходов: самый опасный момент — подход к 100 °C, когда давление пара быстро растёт, а проницаемость черепка ещё мала. Электропечи не хватает тяги, поэтому нужна вентиляция. Конец досушки проверяют холодным зеркалом у отверстия вытяжки — подробно об этом в статье о кривых обжига. По опыту керамистов, массивная скульптура взрывалась даже на четырёхчасовой выдержке при 82 °C, а та же форма после восьмичасовой выдержки уцелела. Простая домашняя проверка — приложить изделие к щеке в тёплом помещении: прохладное значит влажное.

Тест на сушку: DFAC

Чтобы сравнить массы или версии одной массы, Хансен придумал простой тест. Около 500 г массы раскатывают между рейками 4,7 мм в диск 12 см. Центр накрывают металлическим диском 60 мм или банкой с песком и ставят в сушилку при 90–100 °C с обдувом. Край высыхает, центр остаётся мягким — трещина гарантирована. Оценивают её вид, число трещин и ширину главной. Тест сравнительный, а не абсолютный: хорошая пластичная масса, по замыслу Хансена, даёт трещину через центр с расхождением половин.

Немного о промышленности

Промышленность решает ту же задачу с другой стороны. Лучший вариант, по Хансену, — туннельная сушилка с противотоком: горячий сухой воздух входит там, где выходят сухие изделия, и, проходя к входу, набирает влажность. Мокрое изделие встречает влажный воздух, почти сухое — горячий и сухой. Для высокочувствительного сырья кирпичные заводы на стадии прогрева держат относительную влажность 75–85 % и поднимают температуру сырца на 3–4 °C в час. Это та же логика, что плёнка и влажная камера в мастерской: сначала не дать поверхности убежать вперёд, а после окончания усадки — сушить быстро.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Drying Ceramics Without Cracks, Drying Performance, Drying Shrinkage, DFAC, Water Smoking, Candling, Pore water removal; Dave Finkelnburg, «Techno File: Drying 101» (Ceramics Monthly, 2015); Sunshine Cobb, «Managing the Drying Process» (PMI, 2020); M. Bossin, A. Chrietzberg, «Instant Damp Cabinets»; Snail Scott, «Hints for Even Drying»; Simon Levin, Adam Field, «Preventing S Cracks» (Ceramic Arts Network); G. W. Scherer, «Theory of Drying», J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990); S. Oummadi, диссертация (Limoges, 2019) и Open Ceramics 2 (2020); N. Lauro и др., Ceramics 7 (2024); I. Makrygiannis и др., Ceramics 6 (2023); Е.М. Дятлова, В.А. Бирюк, «Химическая технология керамики и огнеупоров. Лабораторный практикум» (БГТУ, 2006); В.Т. Станевич, «Строительная керамика» (2008); А.С. Чекмарев и др. (Известия КГАСУ, 2017); И.К. Ивановский и др. (Энергетика, 2005); Valentine Clays, Shrinkage Rates; Lakeside Pottery, Clay Shrinkage; Xi'an Brictec; Wikipedia, «Leather-hard»; форум Ceramic Arts Daily.