Керамика в съвременната архитектура

Керамиката е един от най-древните строителни материали, като продължава да има широко приложение в архитектурата. Съществува широко разнообразие от керамични материали, чиито качества зависят както от специфичния химически състав на материала, така и от техниките на производство на конкретните елементи. Развитието на керамичните материали засяга както основната конструкции на сградите, така и интериорни и екстериорни приложения. Разработват се както нови видове керамика по отношение на състава, така и по отношение на техниките на производство.

Текст: списание Строители

От древни времена керамиката се използва за производство на структурни компоненти за строителни проекти. Керамичните продукти за строителния сектор включват цименти и материали на циментова основа, вътрешни и външни плочки, санитарен фаянс, огнеупорни тухли и други по-сложни форми като дренажни, канализационни и коминни тръби и облицовки. В архитектурната керамика тухли, плочки и други керамични елементи се използват като строителни компоненти както за структурни, така и за декоративни цели. През последните години възходът на екологичното движение и „зелената“ архитектура допринесоха за подновяване на интереса към строителни материали и методи, свързани с глина и керамика.

От функционален до декоративен елемент, керамиката все повече навлиза в различни архитектурни елементи, като архитектите започнаха да гледат на покритието на сграда като на дреха, предпазваща тялото от външни фактори и като израз на културата на мястото, където се намира сградата. Днес покриващата керамика играе ключова роля в дизайна, като е обект на няколко награди и конкурси, свързани не само с нейните естетически и функционални качества, но и с производствените процеси. Суровините, използвани в производството на керамика, са от минерално естество и основният им компонент е глина. В зависимост от техническите характеристики на продукта, който ще се произвежда, различните съставки се смесват и смилат, докато се хомогенизират напълно и имат оптимален размер на частиците, за да осигурят подходящата пластичност за формоване.

Качества и производство

Керамиката обхваща неорганични и неметални материали, често порести и с кристална структура. Некристалните материали, които споделят останалите свойства на керамиката, се класифицират като стъкло, въпреки че когато приемат кристалната структура поради термична обработка, те се наричат стъклокерамика. Механичните свойства на керамичните материали са от особено значение в строителството. Те включват тяхната твърдост и якост на компресия, способност да издържат на химическа ерозия и устойчивост на изключително високи температури. Но керамичните материали също са крехки при въздействие като срязване и опън, и тези механични свойства трябва да се вземат предвид при избора на керамични материали за строителство. Различни вещества, добавени към суровините, подобряват определени технически качества.

Специално трябва да се споменат различните видове суспендиращи агенти, дефлокуланти и свързващи вещества. Ако обобщаваме техните свойства, можем да кажем, че керамиката има високи точки на топене (така че те са устойчиви на топлина), голяма твърдост и здравина, значителна издръжливост (дълготрайни и износоустойчиви), ниска електрическа и топлопроводимост (добри изолатори), химична инертност (не реагират с други химикали). Повечето керамики също са немагнитни материали, въпреки че от феритите (керамика на основата на желязо) се създават големи магнити (поради съдържанието им на желязо).

Керамиката е направена от смес от минерали, обикновено силициев пясък, с глинесто свързващо вещество и някои примеси и до 30% вода. По време на изпичането водата се изхвърля, макар че това може да бъде намалено от 30% на 2-5% чрез изсушаване преди изпичане. При това намалено съдържание на вода продуктите се формоват като прах, преди да се изпекат при 1800-2000оC в продължение на дни или седмици, в зависимост от детайлите на керамиката и процеса. Керамиката може да има естествен външен вид или да бъде остъклена (с покритие, подобно на стъкло).

Тези материали са устойчиви на околната среда - те няма да се окисляват допълнително в атмосферата, следователно те са икономични по отношение на разходите за поддръжка. Проблеми могат да възникнат, когато се комбинират с други материали, обикновено фиксиращи елементи, които са подложени на напрежение и на корозия. За разлика от металите, керамиката не е способна на пластичност. Тя се срива по чуплив начин, директно след границата на еластичност. 

Преди да бъде изпечена, суровата керамика може да бъде оформена по всякакви начини. За различни крайни продукти се използват различни производствени процеси. Тръбите например се правят чрез екструзия (изстискване на глина през отвор). Стъклото се прави чрез издухване, формоване или плаване върху вода. От друга страна, тухлите почти винаги се правят в калъпи, за да се гарантира, че са с постоянен размер и форма за подреждане в стени. Докато голяма част от съвременната керамика се формова, някои елементи все още се правят на ръка, по традиционен начин. Други керамични процеси включват пресоване, леене и чрез полагане на суровина във въртяща се форма.

Силициев пясък е съставка, която намалява свиването на парчетата в пещта и увеличава тяхната шупливост/порестност след изпичането им. Излишъкът от силициев пясък намалява механичната якост и повишава коефициента на разширение на крайния продукт. Алкалният фелдшпат действа като флуиращ елемент при висока температура, улесняващ реактивността на сместа чрез понижаване на температурата на изпичане, необходима за достигане на дадена привидна порьозност/шупливост. Калциевият карбонат осигурява висока якост преди достигане на температурата на топене чрез намаляване на риска от втечняване. Той също така увеличава порьозността и водопоглъщането на крайния продукт, като същевременно допринася за по-голяма стабилност на размерите. Пигменти, получени чрез калциниране на естествени оксиди, са използвани за оцветяване на керамика.

Видове

Шамотът съдържа висок дял глина, устойчива на високи температури (каолин). Използва се за комини и димоотводи. Камениновите изделия са подобни по състав на шамот, но се изпичат при по-висока температура от шамота и съдържат по-голям процент стъкло. В резултат на това каменинът е по-твърд и по-малко абсорбиращ. Съвременните производствени процеси означават, че вече не се налага остъкляване на каменинови изделия за използване в дренажни тръби. При фаянсът суровините са смесени и могат да съдържат значителен дял варовик. Той е по-фин продукт от камениновата керамика и се използва като тяло за остъклени стенни плочки.

Въпреки че има многобройни класификации, най-често срещаната класификация при производството на керамични покрития се основава на цвета - червен или бял. Червените глини се характеризират с високо съдържание на желязо, ниска температура на топене и умерена пластичност, докато белите глини са по-пластични и нямат оцветяващи оксиди. Много чиста бяла глина се използва при приготвянето на порцелан, тъй като запазва цвета си по време на процеса на изпичане. По-трудно е да се пресова и се изисква по-висока температура на изпичане.

Модерни технологии за обработка

Нови видове керамика също се наричат техническа или инженерна керамика. Чистотата им е далеч по-висока от традиционната керамика, като не се използва сурова глина, добивана директно от земята. Оформят се прахове, които след това се отливат, пресоват, екструдират или формоват. Към праховете могат да бъдат добавени органични свързващи вещества. Комбинацията от чисти материали и взискателни производствени техники гарантира много високата здравина.

Ситопечатът представлява техника на плосък печат, при която керамичните глазури се нанасят през тънък мрежест плат, опънат върху рамка. Области в тъканта се блокират с помощта на фоточувствителен разтвор, което позволява на цвета да премине през отворите, за да възпроизведе дизайна, който трябва да бъде прехвърлен. Разработката на шаблона е механизиран процес, който позволява да се получат сложни декоративни ефекти с висока степен на дефиниция.

Флексографията е техника на ротационен печат, при която глазурата се нанася с помощта на гладък валяк, върху който е фиксиран полимерен лист, носещ профила на дизайна, който ще бъде възпроизведен. Декорацията се пренася върху тялото чрез контакт, произведена чрез въртене на листа, импрегниран с пропорционалното количество пигменти. Тази техника, разработена главно през 90-те години на миналия век, все още се използва в момента, въпреки че приложението й излиза от употреба поради заместването с метода на ротогравирането.

При техниката на ротогравиране, глазурата се нанася с помощта на ролка, която е лазерно гравирана с дизайна, който ще бъде възпроизведен. Декорацията се пренася върху тялото чрез контакт, произведен чрез въртене на валяка, импрегниран с мастило в ролковите кухини. Техниката е въведена в керамичния сектор през първото десетилетие на 21в. и понастоящем се използва широко.

Мастилено-струйният печат е техника за цифров печат, при която глазурата се пръска върху тялото с помощта на инжектори, съдържащи различни мастила, в зависимост от дизайна, който трябва да се получи. Дизайнът се пренася върху тялото без никакъв контакт и техниката позволява да се реализират неограничени конфигурации, тъй като се използват компютърни процеси. Въпреки че се използва широко в други области, това е най-иновативната техника за декориране в керамиката.

Мекото първоначално състояние на керамиката й предоставя всички възможности за техническа и формова обработка. Това улеснява реализирането на облицовки или части за решаване на специфични проблеми и прави керамиките подходящи материали за изработване на единични части със специфични характеристики и функции. През последните години се наблюдава значително увеличение на проектите, в които са използвани единични парчета, като се получават резултати с изключително техническо и формово качество. Въпреки че използването им все още е рядко и представлява много малък процент от общото производство, в момента се озоваваме пред индустриален сектор, който е в състояние да отговори качествено и ефективно на всяко предизвикателство, демонстрирайки потенциално безграничната сфера на приложение на тези материали.

Изследват се възможностите, предоставени от 3D печатната керамика. Една 3D отпечатана керамична фасада може да бъде интегрирана с механичната система на сградата за контрол на светлината и въздушния поток, като същевременно осигурява предимства на изпаряващото охлаждане. Принтираните форми създават микропори, които помагат за проветряването и охлаждането на пространството..

Конструкция

Различните видове керамика намират широко приложение в изграждането основната конструкция на архитектурни обекти. От циментите се правят хоросан и бетон. Разтворът се получава чрез смесване на цимент с вода и пясък и е предпочитаният материал за зидани проекти, като свързване на тухли, камъни и плочки, както и за запълване на пукнатини и дупки. Бетонът се използва в различни строителни проекти, включително сгради, мостове и пътища, както и конструкции, устойчиви на пожар, влага и химикали. Бетонът може да се формова и в готови за употреба тухли, блокове, тръби и други форми, които могат да бъдат оформени чрез 3D печат.

Глинените тухли се използват за изграждане на жилища и търговски сгради и за зидани проекти поради тяхната здравина и визуална привлекателност. Тухлите могат да бъдат произведени с екологични процеси, могат лесно да бъдат сглобени, за да се създадат структури с различни форми. По същество има два вида тухли: обикновени строителни тухли и огнеупорни тухли: Строителните тухли са направени със стандартен размер (обикновено 20–22 cm дълги, 9–11 cm широки и 5–7 cm високи (приблизително 8–8,5 инча дълги, 3,5– 4,5 инча широк и 2–3 инча висок), като размерите варират леко в различните страни). Те са направени от по-високи класове глина и са завършени поне от едната страна (лицето), така че изглеждат привлекателно на къщи и стени.

Огнеупорните тухли са направени за използване при висока температура за облицовка на неща като индустриални димни стени (комини) и битови камини, така че те са склонни да бъдат направени по-грубо и по-малко привлекателно завършени. За разлика от обикновените тухли, те обикновено се произвеждат с такива сурови минерали като шамот, алуминиев триоксид (алуминиев оксид), силициев диоксид (силициев оксид) и доломит (калциев магнезиев карбонат). 

Тухлите изпреварват нарязания камък като преобладаващ строителен материал в Европа по време на индустриалната революция, когато масовото производство става възможно. Освен че оформят стените, подовете и понякога дори покривите на много традиционни и модерни сгради, тухли могат да се произвеждат и за специализирани строителни приложения, използвайки техните керамични свойства.

Тухлите не са единственият начин, по които керамиката се използва за основната конструкция на къщи. Вече съществуват сглобяеми къщи, направени от специфичен керамичен материал. Сглобяемите къщи гарантират по-бързо строителство в сравнение с конвенционалното тухлено строителство. Прехвърлянето на производство на стени в завода не само ускорява цялостния процес на строителство, но и премахва грешките. Стените на къщата се произвеждат под строг технологичен контрол, което гарантира тяхната перфектна плоскост, точност и други качествени параметри. Стените са снабдени с тръбопровод за електроразпределение и за водоразпределението и канализацията, което спести време и средства при довършителните работи. 

Интериор и екстериор

На закрито керамичните плочки се използват за покриване на подове, стени, кухненски плотове и камини. Плочките са много трайни и хигиенни строителни продукти, които също така са естетични. В интериорния дизайн плочките също се комбинират, за да образуват мозайки и стенни картини като форма на изкуство и декорация. Баните са обзаведени със санитарен фаянс (тоалетни, мивки, вани и душ корита), изработени от глина и каолин с добавен кварц и фелдшпат и впоследствие остъклени. Полученият продукт е много твърд, устойчив на износване и химически въздействия, издръжлив и лесен за почистване.

На открито керамичните плочки се използват най-вече за настилки на тераси, вътрешни дворове, стълбища, веранди, алеи и страни на басейна. Керамичните летви са много разпространени в топлите райони като икономичен, дълготраен покривен материал за архитектурна елегантност и за осигуряване на подходяща водна бариера срещу обилни валежи и добра изолация от слънцето. Керамичните плочки се превръщат в „интелигентни продукти“ чрез включването например на слънчеви клетки. 

Остъклените фасади се използват като материал за естетическо изразяване от съвременните архитекти. Външният вид на сградата вече все по-често е независим от интериора и допринася за градската обстановка. Първото поколение включва глазури, имитиращи камък, включително мрамор, гранит и варовик. Основният фокус на второто е добавянето на един или повече цветове към сграда с помощта на матови, гланцови или полу-гланцови глазурни повърхности. Третото поколение включва глазури, които имат специфична повърхност, която реагира на различни светлинни условия. Това включва глазури с блестяща повърхност, с необичайни текстури, глазури, които изглеждат като или да заместват други материали. Декоративните, често текстурирани фасади, историически типичнни за стил Ар Нуво, се завърнаха през последните години. Днешните декоративни фасади са често монолитни, но не и скучни, тъй като са уникални и ексцентрични.