Trübungserscheinungen an glasierten Dachziegeln ... - Bauverlag
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<strong>Trübungserscheinungen</strong><br />
<strong>an</strong> <strong>glasierten</strong> <strong>Dachziegeln</strong><br />
durch Anhydritauswaschungen<br />
In der Verg<strong>an</strong>genheit traten in Einzelfällen weiß<br />
erscheinende Trübungen <strong>an</strong> bewitterten <strong>Dachziegeln</strong><br />
auf. Bei diesen h<strong>an</strong>delt es sich nicht um<br />
kristalline Phasen, sondern um Hohlräume, die durch<br />
Anhydritauswaschungen erzeugt wurden. Die<br />
dadurch entst<strong>an</strong>dene Schwammstruktur lässt die<br />
Glasur trüb erscheinen. Der Beitrag stellt die Ursachen<br />
der Trübung dar und Möglichkeiten zur<br />
Vermeidung vor. Aktuell scheinen die Ursachen der<br />
Trübung erk<strong>an</strong>nt und behoben worden zu sein.<br />
Einleitung<br />
Seit einigen Jahren werden immer mehr Dachziegel glasiert<br />
oder engobiert, da viele Verbraucher verstärkten Wert auf ein<br />
individuelles Erscheinungsbild ihres Hauses legen. Trotz der<br />
ausgezeichneten Qualität der h<strong>an</strong>delsüblichen Glasuren und<br />
Engoben traten in der Verg<strong>an</strong>genheit in Einzelfällen unerwünschte<br />
Eintrübungen bei vorwiegend tr<strong>an</strong>sparent <strong>glasierten</strong><br />
<strong>Dachziegeln</strong> auf. Diese Eintrübungen bildeten sich unabhängig<br />
vom Ziegel- oder Glasurproduzenten. Analysen des<br />
aufgeprägten Pressdatums zeigten, dass nur Ziegel eines<br />
begrenzten Produktionszeitraumes, vereinzelt die gesamte<br />
Produktionsmenge, teilweise aber auch nur Bruchteile einer<br />
Glasierkampagne betroffen waren. Die Trübung der Dachziegel<br />
trat erst nach einer Bewitterungszeit von mehr als einem<br />
Jahr auf. Das bedeutet, dass die Ziegel den Produktionsort<br />
ohne optische Auffälligkeiten verlassen haben. Die Trübung<br />
stellte sich als eine weiß erscheinende Verfärbung der direkt<br />
bewitterten Bereiche der Dachziegel dar, wogegen die überlappten<br />
Gebiete ohne sichtbaren M<strong>an</strong>gel waren. Die Trübung<br />
war besonders deutlich auf trockenen <strong>Dachziegeln</strong> zu erkennen.<br />
26 ZI 6/2003<br />
Analyse der getrübten Bereiche<br />
Lichtmikroskopie<br />
Bei 20- bis 50facher Vergrößerung sind in der Aufsicht<br />
schneeflockenartige Gebilde im Inneren der Glasurschicht zu<br />
erkennen. Diese Gebilde sind zwischen 50 µm und einigen<br />
Millimetern groß. Die Dachziegeloberflächen sind nicht ideal<br />
eben; es existieren Hügel und feinste Vertiefungen, welche<br />
gleichmäßig über den Ziegel verteilt sind, unabhängig vom<br />
Auftreten der Eintrübungen.<br />
Dr. Jörg Keyn*<br />
Clouding on roof tiles<br />
with glazes caused by<br />
<strong>an</strong>hydrite leaching<br />
In the past, whitish-looking clouding has sporadically<br />
appeared on weathered roof tiles. This clouding is<br />
not the result of crystalline phases, but pores caused<br />
by the leaching of <strong>an</strong>hydrite out of the glaze. The<br />
resulting sponge structure makes the glaze appear<br />
cloudy. This paper presents the reasons for this<br />
clouding <strong>an</strong>d possibilities for avoiding it. The current<br />
situation is that the causes for the clouding<br />
seem to have been identified <strong>an</strong>d eliminated.<br />
Introduction<br />
Recent years have seen more <strong>an</strong>d more roof tiles being glazed<br />
or engobed as m<strong>an</strong>y consumers are attaching greater value to<br />
creating <strong>an</strong> individual appear<strong>an</strong>ce for their house. Despite the<br />
outst<strong>an</strong>ding quality of commercially available glazes <strong>an</strong>d<br />
engobes, in the past, unw<strong>an</strong>ted clouding has sporadically<br />
appeared, particularly on roof tiles with tr<strong>an</strong>sparent glazes.<br />
This clouding formed irrespective of the producer of the roof<br />
tile or of the glaze. Analyses of the imprinted pressing date<br />
have shown that only tiles of a limited production period are<br />
affected – in isolated cases the entire production output, but<br />
at other times only small parts of one glazing campaign. The<br />
clouding of the roof tile appeared only after weathering for<br />
over one year. This me<strong>an</strong>s that the roof tiles left the production<br />
pl<strong>an</strong>t without <strong>an</strong>y visually noticeable differences. The<br />
clouding could be described as a whitish discoloration of the<br />
directly weathered areas of the roof tile, although overlapped<br />
areas had no visible flaws. The clouding was particularly<br />
noticeable on dry roof tiles.<br />
Analysis of the clouded areas<br />
Optical microscopy<br />
At a magnification of 20 to 50 x, snowflake-like formations<br />
c<strong>an</strong> be detected inside the glaze layer. These formations<br />
* Ferro GmbH, D-60039 Fr<strong>an</strong>kfurt am Main * Ferro GmbH, D-60039 Fr<strong>an</strong>kfurt am Main
Bild 1: Glasurbereich mit <strong>Trübungserscheinungen</strong> im Querbruch;<br />
REM-Übersicht, SE-Kontrast<br />
Fig. 1: Glaze area with clouding in the cross fracture;<br />
SEM overview, SE contrast<br />
Rasterelekronenmikroskopie (REM)/Energiedispersive<br />
Röntgen<strong>an</strong>alyse (EDX)<br />
Bild 1 stellt einen Blick schräg auf die Bruchk<strong>an</strong>te des geschädigten<br />
Bereiches eines Dachziegels dar. Im unteren Bereich ist<br />
der Scherben mit der circa 70 µm dicken Glasurschicht und<br />
im oberen Bereich eine Aufsicht auf die Glasuroberfläche zu<br />
sehen. Die Glasuroberfläche weist Hügel und Vertiefungen<br />
auf, ist aber als intakt zu bezeichnen. In der Glasurschicht fallen<br />
hell kontrastierte Strukturen auf.<br />
Die Ausschnittsvergrößerung (Bild 2) lässt erkennen, dass es<br />
sich bei diesen Strukturen um Ketten h<strong>an</strong>delt, die ein Netzwerk<br />
mit einer Maschenweite von 10 bis 30 µm formen. Mit<br />
steigender Vergrößerung wird deutlich, dass sich die Ketten<br />
aus etwa 1 µm großen Teilen zusammensetzen (Bild 3). Da im<br />
Rückstreukontrastverfahren kein Signal zu sehen war, wird<br />
daraus geschlossen, dass es sich dabei um Hohlräume h<strong>an</strong>delt<br />
(Bild 4). Außerdem zeigt eine punktuelle EDX-Analyse der<br />
Strukturen die gleiche chemische Zusammensetzung wie in<br />
der umgebenden Glasur.<br />
Eine REM-Untersuchung des ungetrübten Bereiches am<br />
gleichen Ziegel zeigt in der Sekundärelektronenkontrastaufnahme<br />
zunächst nichts Auffälliges (Bild 5). Die Abbildung<br />
ist mit Bild 1 vergleichbar, die hell kontrastierten Strukturen in<br />
der Glasurschicht fehlen jedoch. Mit zunehmender Vergrößerung<br />
(Bild 6) werden wieder kettenartige Strukturen<br />
sichtbar, die Morphologie dieser Ketten entspricht der im<br />
getrübten Bereich. Der Kontrast ist jedoch wesentlich<br />
schwächer.<br />
Unter Verwendung der Rückstreukontrastmethode (Bild 7)<br />
erscheinen die Ketten hell und aus etwa 1 µm großen Partikeln<br />
zusammengesetzt. Auf Grund des hellen Kontrastes wird<br />
geschlossen, dass es sich um ein elektronenoptisch dichteres,<br />
stärker rückstreuendes Material h<strong>an</strong>deln muss als bei dem<br />
umgebenden Glas. Die EDX-Analyse weist <strong>an</strong> diesen Stellen<br />
signifik<strong>an</strong>t höhere Calcium- und Schwefelkonzentrationen auf<br />
(Tabelle 1).<br />
Die Analyse von reinem Kettenmaterial gel<strong>an</strong>g nicht, da das<br />
Verfahren neben den Kettenpartikeln immer die Glasurmatrix<br />
miterfasste.<br />
Bild 2: Ausschnittsvergrößerungen von Bild 1<br />
Fig. 2: Magnifications of sections of Fig. 1<br />
measure between 50 µm <strong>an</strong>d several millimetres in size. The<br />
roof tile surfaces are not perfectly even; hills <strong>an</strong>d extremely<br />
fine valleys are uniformly distributed over the roof tile independent<br />
of clouding.<br />
Tabelle 1: EDX-Analysen der Glasuren auf getrübten<br />
<strong>Dachziegeln</strong> (SO3- und CaO-Werte)*<br />
Table 1: EDX <strong>an</strong>alyses of the glazes on clouded roof tiles<br />
(SO3 <strong>an</strong>d CaO values)*<br />
Ziegel Bereich Analyse SO3 CaO<br />
Tile Area über/in [Masse-%] [Masse-%]<br />
Analysis SO3 CaO<br />
over/in [mass %] [mass %]<br />
A Ungetrübt Querschnitt 2.7 6.0<br />
Unclouded Cross-section<br />
Kettenstruktur<br />
Chain<br />
structure<br />
18.3 13.1<br />
Getrübt Querschnitt 1.9 5.5<br />
Clouded Cross-section<br />
Kettenstruktur<br />
Chain<br />
structure<br />
0.4 4.9<br />
B Ungetrübt Querschnitt 4.5 6.2<br />
Unclouded Cross-section<br />
Kettenstruktur<br />
Chain<br />
structure<br />
20.5 12.0<br />
Getrübt Querschnitt 1.0 6.0<br />
clouded Cross-section<br />
Kettenstruktur<br />
Chain<br />
structure<br />
0.8 6.2<br />
* Untersucht wurden Bruchflächen. Die Analysen sind als halbqu<strong>an</strong>titativ zu<br />
bezeichnen. Die Unsicherheit liegt in der Größenordnung von 2 Masse-%<br />
* Fracture surfaces were tested. The <strong>an</strong>alyses c<strong>an</strong> be described as semi-qu<strong>an</strong>titative.<br />
The uncertainty is in the r<strong>an</strong>ge of 2 mass %<br />
ZI 6/2003<br />
27
Bild 3: Hohlraumstruktur in getrübter Glasur, REM, SE Kontrast<br />
Fig. 3: Pore structure in the clouded glaze, SEM, SE contrast<br />
Schlussfolgerung<br />
Die Kettenstrukturen im Bereich der Glasurverfärbung sind<br />
keine kristalline Phase, sondern Hohlräume. Durch diese wird<br />
eine Art Schwammstruktur erzeugt, welche die Glasur trüb<br />
erscheinen lässt. Diese Beobachtung wird durch die Tatsache<br />
untermauert, dass die Trübung bei feuchten Ziegeln weniger<br />
deutlich sichtbar ist. Die Hohlräume sind im feuchten Zust<strong>an</strong>d<br />
mit Wasser gefüllt, und der Brechungsindex der Hohlräume<br />
ist dem des Glases ähnlicher als der Brechungsindex beim<br />
Lufteinschluss.<br />
Röntgenbeugung<br />
Für diese Untersuchung wurden circa 15 mm x 15 mm große<br />
Proben aus den <strong>Dachziegeln</strong> gesägt. Mittels Röntgen<strong>an</strong>alyse<br />
(Philips PW 1800, CuK-Strahlung) wurden in der gebr<strong>an</strong>nten<br />
Glasur Zirkon Zr(SiO4) und Anhydrit Ca(SO)4 nachgewiesen.<br />
Nach der Rietveld-Methode [1, 2] konnten bei <strong>an</strong>hydritreichen<br />
Ziegeln dem Beugungsdiagramm acht überlagerungsfreie<br />
Anhydritreflexe zugeordnet werden. Im gezeigten<br />
Bild 5: Ungetrübtes Glasurgebiet im Querbruch, gleicher Ziegel<br />
wie in Bild 1; REM-Übersicht, SE-Kontrast<br />
Fig. 5: Unclouded glaze area in the cross fracture, same tile as in<br />
Fig. 1; SEM, SE contrast<br />
28 ZI 6/2003<br />
Bild 4: Wie Bild 3; REM, Rückstreukontrast<br />
Fig. 4: As Fig. 3; SEM, backscattering contrast<br />
Sc<strong>an</strong>ning electron microscopy (SEM)/energy dispersive<br />
X-ray <strong>an</strong>alysis (EDX)<br />
Fig. 1 shows <strong>an</strong> oblique view of the fracture edge of the damaged<br />
area of a roof tile. The lower section shows the body of<br />
the tile with <strong>an</strong> around 70-µm-thick glaze layer while the<br />
upper section shows <strong>an</strong> image of the glaze surface. The glaze<br />
surface has hills <strong>an</strong>d valleys, but c<strong>an</strong> be described as intact. In the<br />
glaze layer, there are conspicuous light-contrasted structures.<br />
Magnification of this section (Fig. 2) shows that these structures<br />
are in fact chains that form a network with a mesh<br />
width of 10 to 30 µm. As magnification is increased, it<br />
becomes clear that the chains are made up of pieces measuring<br />
around 1 µm in size (Fig. 3). As no signal could be detected<br />
in the backscattering contrast, it c<strong>an</strong> be concluded that<br />
these are pores (Fig. 4). Moreover, spot EDX <strong>an</strong>alysis of the<br />
structures reveals the same chemical composition as in the<br />
surrounding glaze.<br />
An SEM <strong>an</strong>alysis of <strong>an</strong> unclouded area of the same roof tile<br />
does not initially show <strong>an</strong>ything unusual in the secondary<br />
electron contrast images (Fig. 5). The image is comparable<br />
with that in Fig. 1; however, the light-contrasted structures in<br />
the glaze layer are absent. As magnification is increased<br />
(Fig. 6), chain-like structures again become visible, the morphology<br />
of these chains corresponding to that in the clouded<br />
area. The contrast is, however, much weaker.<br />
With use of the backscattering contrast method (Fig. 7), the<br />
chains appear bright, consisting of particles measuring<br />
around 1 µm in size. Owing to the light contrast, it c<strong>an</strong> be<br />
concluded that the material must be a more electronoptically<br />
dense material with stronger back scattering th<strong>an</strong> the surrounding<br />
glaze. EDX <strong>an</strong>alysis shows signific<strong>an</strong>tly higher calcium<br />
<strong>an</strong>d sulphur concentrations at these spots (Table 1).<br />
The <strong>an</strong>alysis of pure chain material was not successful as the<br />
process always <strong>an</strong>alysed the glaze matrix along with the chain<br />
particles.<br />
Conclusion<br />
The chain structures in the area of glaze discoloration are<br />
not crystalline phase, but pores. These lead to the formation<br />
of a sponge structure, making the glaze appear cloudy. This<br />
observation is supported by the fact that the clouding is<br />
much less visible when the roof tiles are wet. In the wet state,<br />
the pores are filled with water <strong>an</strong>d the refractive index of<br />
the pores is more similar to that of the glaze th<strong>an</strong> the refractive<br />
index of pores with entrapped air.
Bild 6: Ungetrübtes Glasurgebiet im Querbruch; REM,<br />
SE-Kontrast<br />
Fig. 6: Unclouded glaze area in the cross fracture; SEM,<br />
SE contrast<br />
Beispiel sind die ersten fünf Reflexe deutlich zu sehen, die letzten<br />
drei Reflexe mit 2 > 50° können nur durch das Reflexsuchprogramm<br />
bestätigt werden (Bild 8).<br />
Der Vergleich der Beugungsdiagramme von getrübten und<br />
ungetrübten Stellen eines Ziegels im Bereich des stärksten<br />
Anhydritreflexes (Bilder 9 und 10) liefert dasselbe Ergebnis<br />
wie die EDX-Analysen. So ist <strong>an</strong> der ungetrübten Stelle der<br />
stärkste Anhydritreflex wesentlich intensiver als <strong>an</strong> der getrübten<br />
Stelle. Hier wird lediglich ein Signal gemessen, welches<br />
leicht oberhalb des Untergrundes liegt.<br />
Schlussfolgerung<br />
Die Trübung entsteht durch das Herauslösen der primär vorh<strong>an</strong>denen<br />
Anhydritketten. Die verbleibende Hohlraumstruktur<br />
lässt diese Stellen trüb erscheinen.<br />
Modell zur Anhydritbildung<br />
Um eine Trübung von vornherein auszuschließen, muss zunächst<br />
geklärt werden, wie sich Anhydrit bildet und wie er<br />
herausgelöst wird.<br />
Anhydrit entsteht während der Erweichung der Glasur. Auf<br />
der Oberfläche der noch nicht verschmolzenen Frittekörner<br />
(mittlere Korngröße 10 bis 30 µm) reagiert SO3 aus dem<br />
Rauchgas mit CaO aus dem Glas. Es entsteht ein räumliches<br />
Netzwerk von Anhydrit. Mit dem Schmelzen der Glasur wird<br />
die Anhydritbildung abgebrochen. Die Anhydritkristalle sind<br />
in der Glasur eingeschlossen und damit stabilisiert. Der weitere<br />
Temperatur- und Schmelzverlauf bewirkt keine Auflösung<br />
des Anhydrites.<br />
Die Menge des gebildeten Anhydrites ist von der Zeit abhängig,<br />
welche die Ziegel im Temperaturintervall zwischen Erweichungsbeginn<br />
und Schmelzen der Glasur verweilen. Die<br />
Anhydritbildung hängt vom Auftreten von Calcium in der Fritte<br />
ab. Die Neigung zur Anhydritbildung ist über das gängige<br />
Intervall von 2 % bis 10 % CaO in der Glasur relativ konst<strong>an</strong>t.<br />
Weiterhin wird durch Zugabe von Calcit oder Gips zur Glasur<br />
oder zur Masse sowie durch das Verwenden von kalkhaltigem<br />
Wasser die Anhydritbildung nicht verstärkt. Die Zugabe<br />
von Wollastonit zur Glasur erhöht dagegen die Anhydritbildung.<br />
Die zweite notwendige Komponente für die Anhydritbildung<br />
ist SO3. Ziegelmassen enthalten in der Regel weniger als<br />
Bild 7: Wie Bild 6; REM, Rückstreukontrast<br />
Fig. 7: As Fig. 6; SEM, backscattering contrast<br />
X-ray diffraction<br />
For this test, specimens measuring around 15 mm x 15 mm<br />
in size were sawn out of the roof tiles. By me<strong>an</strong>s of X-ray<br />
<strong>an</strong>alysis (Philips PW 1800, CuK radiation), zircon Zr(SiO4)<br />
<strong>an</strong>d <strong>an</strong>hydrite Ca(SO)4 were detected in the fired glaze.<br />
According to the Rietveld method [1, 2], for high-<strong>an</strong>hydrite<br />
tiles, eight non-overlapping <strong>an</strong>hydrite reflections could be<br />
assigned to the diffraction diagram. In the example shown,<br />
the first five reflections c<strong>an</strong> be clearly seen, the last three<br />
Bild 8: Rietveld-Verfeinerung <strong>an</strong> <strong>an</strong>hydritreicher Dachziegelglasur<br />
a) rot – gemessenes, blau – berechnetes Beugungsdiagramm im<br />
Bereich 2 = 17–55°<br />
b) Differenzplot (rot); grün – Zirkonreflexe; blau – Anhydritreflexe<br />
Fig. 8: Rietveld refinement of a high-<strong>an</strong>hydrite roof tile glaze<br />
a) red – measured, blue – calculated diffraction diagram in the<br />
r<strong>an</strong>ge 2 = 17–55°<br />
b) Differential plot (red); green – zircon reflections; blue –<br />
<strong>an</strong>hydrite reflections<br />
ZI 6/2003<br />
29
Bild 9: XRD- Analyse im Winkelbereich des stärksten Anhydrit-<br />
Reflexes <strong>an</strong> ungetrübter Stelle, Reflexe Anhydrit (020) und<br />
Zirkon (200)<br />
Fig. 9: XRD <strong>an</strong>alysis in the <strong>an</strong>gular r<strong>an</strong>ge of the strongest <strong>an</strong>hydrite<br />
reflection at <strong>an</strong> unclouded area, reflections <strong>an</strong>hydrite (020)<br />
<strong>an</strong>d zircon (200)<br />
0,1 % SO3. Mineralogisch tritt der Schwefel als Pyrit, als Sulfat<br />
oder org<strong>an</strong>isch gebunden auf. Je nach Herkunft k<strong>an</strong>n der<br />
Schwefelgehalt des Tonrohstoffs stark variieren. Die prozentuale<br />
Schwefelmenge ist zwar relativ klein, es k<strong>an</strong>n sich<br />
jedoch eine gesättigte SO3-Atmosphäre im Ofen befinden.<br />
Die Abgabe von SOx in die Ofenatmospäre erfolgt im Wesentlichen<br />
zwischen 400 und 600 °C [3]. Die Anhydritbildung<br />
wird durch Absaugen dieses Rauchgases verhindert. Es h<strong>an</strong>delt<br />
sich jedoch für die vorliegenden Brennaggregate um<br />
einen energetisch unwirtschaftlichen Ansatz. Direkt dem<br />
Rauchgasstrom ausgesetzte Ziegel zeigen erhöhte Anhydritwerte,<br />
wie auch einzelne unglasierte Ziegel zwischen unglasierter<br />
Ware oder die ersten Ofenwagen. Im Laborofen entsteht<br />
kein Anhydrit, da hier die Mengen <strong>an</strong> Schwefel pro<br />
Volumeneinheit zu gering sind.<br />
Tabelle 2: Anhydritwerte (XRD) und Trübungswahrscheinlichkeit<br />
Table 2: Anhydrite values (XRD) <strong>an</strong>d clouding probability<br />
1. Anhydritwert (*) > 400 Impulse: Diese Produkte zeigen mit großer<br />
Wahrscheinlichkeit nach ein bis zwei<br />
Jahren eine Trübung.<br />
Anhydrite value (*) > 400 pulses: It is highly probable that these<br />
products will suffer clouding after<br />
one to two years.<br />
2. Anhydritwert (*) ≤ 200 Impulse: Bei diesen Produkten tritt nach ein<br />
bis zwei Jahren mit großer Wahrscheinlichkeit<br />
keine Trübung auf.<br />
Anhydrite value (*) ≤ 200 pulses: It is highly probable that these<br />
products will not suffer <strong>an</strong>y clouding<br />
after one to two years.<br />
3. Kein Nachweis <strong>an</strong> Anhydrit oder Es ist generell keine Trübung durch<br />
Werte <strong>an</strong> Nachweisgrenze: Auswaschung von Anhydrit zu<br />
erwarten.<br />
No <strong>an</strong>hydrite detected or values Generally no clouding c<strong>an</strong> be at<br />
detection limit: detection limit:expected as a result<br />
of <strong>an</strong>hydrite leaching.<br />
(*) Die Werte beziehen sich auf die hier <strong>an</strong>gew<strong>an</strong>dten Mess- und Präparationsbedingungen<br />
(*) The values are based on the measurement <strong>an</strong>d preparation conditions applied here<br />
30 ZI 6/2003<br />
reflections with 2 > 50° c<strong>an</strong> only be confirmed by the reflection<br />
search program (Fig. 8).<br />
The comparison of the diffraction diagrams of clouded <strong>an</strong>d<br />
unclouded parts of a roof tile in the r<strong>an</strong>ge of the strongest<br />
<strong>an</strong>hydrite reflection (Figs. 9 <strong>an</strong>d 10) returns the same result as<br />
the EDX <strong>an</strong>alyses. Thus, in the unclouded area of the tile,<br />
the strongest <strong>an</strong>hydrite reflection is much more intensive th<strong>an</strong> in<br />
the clouded area. The signal here is slightly above the backround.<br />
Conclusion<br />
Clouding results from the leaching out of primarily existing<br />
<strong>an</strong>hydrite chains. The remaining pore structure makes these<br />
spots appear clouded.<br />
Model for <strong>an</strong>hydrite formation<br />
To eliminate clouding from the start, it is first necessary to<br />
clarify how the <strong>an</strong>hydrite is formed <strong>an</strong>d how it is leached out<br />
of the glaze.<br />
Anhydrite is formed during softening of the glaze. On the surface<br />
of the not yet melted frit particles (me<strong>an</strong> particle size<br />
10 to 30 µm), SO3 from the flue gas reacts with CaO from the<br />
glass. A spatial network of <strong>an</strong>hydrite is formed. As the glaze<br />
melts, the formation of <strong>an</strong>hydrite is stopped. The <strong>an</strong>hydrite<br />
crystals are trapped with the glaze <strong>an</strong>d thus stabilized. The<br />
further course of the temperature <strong>an</strong>d development of the<br />
glaze does not cause the <strong>an</strong>hydrite to dissolve.<br />
The qu<strong>an</strong>tity of the <strong>an</strong>hydrite formed depends on time<br />
the tiles spend in the temperature interval between the<br />
start of softening <strong>an</strong>d the melting of the glaze. Anhydrite formation<br />
depends on the presence of calcium in the frit. The<br />
tendency towards <strong>an</strong>hydrite formation is relatively const<strong>an</strong>t<br />
over the st<strong>an</strong>dard interval of 2% to 10% CaO in the glaze.<br />
Furthermore, the addition of calcite or gypsum to the glaze or<br />
to the body or the use of hard water does not lead to intensified<br />
formation of <strong>an</strong>hydrite. On the other h<strong>an</strong>d, the addition<br />
of wollastonite to the glaze does increase <strong>an</strong>hydrite formation.<br />
The second component necessary for <strong>an</strong>hydrite formation is<br />
SO3. Tile bodies generally contain less th<strong>an</strong> 0.1% SO3. Mineralogically,<br />
the sulphur is present as pyrite, as sulphate or<br />
org<strong>an</strong>ically bonded. Depending on its origin, the sulphur content<br />
of the clay raw material c<strong>an</strong> vary widely. The sulphur<br />
amount is relatively low in percentage terms, but a saturated<br />
SO3 atmosphere c<strong>an</strong> be in the kiln. The SOx is essentially<br />
released into the kiln atmosphere between 400 <strong>an</strong>d 600° C<br />
[3]. Anhydrite formation is prevented by extracting this flue<br />
gas. However, for the firing systems commonly used, this<br />
approach is energy inefficient. Tiles exposed directly to the<br />
flow of flue gas have increased <strong>an</strong>hydrite values, as do isolated<br />
glazed tiles between unglazed ware or the first kiln car<br />
loads. In the laboratory kiln, no <strong>an</strong>hydrite is formed as the<br />
amounts of sulphur per unit of volume are too low.<br />
Formation of the sponge structure<br />
Weathering with alternating wetness <strong>an</strong>d dryness causes the<br />
<strong>an</strong>hydrite to dissolve out of the glaze. The drying process or<br />
the heating of the tile plays a key role in this process, as<br />
clouding is only formed on the area exposed to sunlight.<br />
This leaching out of <strong>an</strong>hydrite tends to take place along hairline<br />
cracks, but glazes free of hairline cracks become clouded<br />
too.
Bildung der Schwammstruktur<br />
Durch die Bewitterung und den dadurch bedingten Wechsel<br />
von Feuchtigkeit und Trockenheit wird Anhydrit aus der Glasur<br />
gelöst. Eine Schlüsselrolle hat dabei der Trockenvorg<strong>an</strong>g<br />
bzw. die Erwärmung, da sich die Trübung nur auf dem der<br />
Sonnenstrahlung ausgesetzten Bereich ausbildet. Die Auslaugung<br />
tritt zwar eher entl<strong>an</strong>g von Haarrissen auf, aber auch<br />
haarrissfreie Glasuren trüben sich.<br />
Vermeidung der Anhydritbildung<br />
Da zur Anhydritbildung SO3 und Calcium notwendig sind,<br />
muss mindestens einer dieser Reaktionspartner aus dem<br />
System entfernt werden, um Trübungen zu vermeiden. Sollen<br />
die bisherigen Prozessparameter beibehalten werden, können<br />
Trübungen durch das Verwenden calciumfreier Glasuren ausgeschlossen<br />
werden. Durch prozesstechnische Kontrolle der<br />
Ofenatmosphäre k<strong>an</strong>n der SO3-Gehalt so weit wie möglich<br />
verringert werden, sodass nach wie vor calciumhaltige Glasuren<br />
verarbeitet werden können.<br />
Folgende Verfahrensweisen dienen der Senkung der Anhydritbildung:<br />
n Der Schwefelgehalt der Masse muss unter 0,04 % liegen<br />
n Glasierte und unglasierte Ziegel sollten nicht zusammen<br />
gebr<strong>an</strong>nt werden, da sonst das SO3 nur <strong>an</strong> den <strong>glasierten</strong><br />
Ziegeln gebunden wird<br />
n Glasierte Ziegel sollten nicht bei verlängerter Schubzeit<br />
produziert werden<br />
Die beiden letztgen<strong>an</strong>nten Vorgehensweisen führen zur beobachteten<br />
Trübung von Teilen einer Produktionscharge. Bei zu<br />
hohem SO3-Gehalt der Masse ist meist die gesamte Charge<br />
betroffen.<br />
Nach welcher Bewitterungszeit die <strong>an</strong>hydritbedingten Trübungen<br />
auftreten werden, k<strong>an</strong>n derzeit nicht sicher beurteilt<br />
werden. Lediglich für einen Bewitterungszeitraum von ein bis<br />
zwei Jahren lassen sich Aussagen über die Trübungswahrscheinlichkeit<br />
treffen (Tabelle 2).<br />
Untersucht m<strong>an</strong> heute glasierte Dachziegel auf Anhydrit, liegen<br />
die Werte im Allgemeinen im unteren Bereich, bzw. es ist<br />
kein Anhydrit nachweisbar. Damit scheint das Problem der<br />
Anhydrittrübung beherrscht.<br />
Literatur<br />
[1] X’Pert Plus 1.0: Program for Crystallography <strong>an</strong>d Rietveld <strong>an</strong>alysis.<br />
Philips Electronics N.V. 1999<br />
[2] G.C.H. Cheng, J. Zussm<strong>an</strong>: The crystal structure of <strong>an</strong>hydrite<br />
(CaSO 4 ). Acta Cryst. (1963) 16, 767–769<br />
[3] L. Tourneret, F. Berger, C. Mavon, A. Chambaudet: Ausblühungen<br />
– Studie zur Bildung von Calciumsulfat während des keramischen<br />
Br<strong>an</strong>des. Ziegelindustrie 1999, Heft 6, 15–25<br />
Bild 10: XRD-Analyse im Winkelbereich des stärksten Anhydrit-<br />
Reflexes <strong>an</strong> getrübter Stelle, gleicher Ziegel wie Bild 9,<br />
Reflexe Anhydrit (020) und Zirkon (200)<br />
Fig. 10: XRD <strong>an</strong>alysis in the <strong>an</strong>gular r<strong>an</strong>ge of the strongest<br />
<strong>an</strong>hydrite reflection at a clouded area, same tile as in Fig. 9,<br />
reflections <strong>an</strong>hydrite (020) <strong>an</strong>d zircon (200)<br />
Avoiding <strong>an</strong>hydrite formation<br />
As SO3 <strong>an</strong>d calcium are necessary for the formation of <strong>an</strong>hydrite,<br />
at least one of these reaction partners must be removed<br />
from the system in order to avoid clouding. If the existing<br />
process parameters must be retained, clouding c<strong>an</strong> be eliminated<br />
by the use of calcium-free glazes. Process control of the<br />
kiln atmosphere c<strong>an</strong> minimize the SO3 content, allowing the<br />
continued use of glazes containing calcium.<br />
The following process options c<strong>an</strong> reduce <strong>an</strong>hydrite formation:<br />
n The sulphur content of the body must be below 0.04%<br />
n Glazed <strong>an</strong>d unglazed tiles should not be fired together as<br />
otherwise the SO3 is only bonded at the glazed tiles<br />
n Glazed tiles should not be produced in prolonged firing<br />
cycles<br />
The latter two practices lead to the observed clouding of<br />
parts of a production batch. If the SO3 content of the tile<br />
body is too high, then usually the entire batch is affected.<br />
It is not yet possible to assess with <strong>an</strong>y certainty after what<br />
weathering time clouding is caused by <strong>an</strong>hydrite leaching.<br />
Clouding probability c<strong>an</strong> only be predicted for a weathering<br />
time of one to two years (Table 2).<br />
If the glazed roof tiles are <strong>an</strong>alysed for the presence of <strong>an</strong>hydrite<br />
today, then the values are generally in the lower r<strong>an</strong>ge<br />
or no <strong>an</strong>hydrite c<strong>an</strong> be detected. Therefore the problem of<br />
<strong>an</strong>hydrite clouding seems under control.<br />
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ZI 6/2003<br />
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