Основные разновидности глин и их составляющие.
Глина - тонкодисперсный продукт разложения и выветривания самых различных горных пород (преобладающий размер частиц - менее 0,01 мм) - способны образовывать с водой пластичную массу, которая сохраняет придаваемую ей форму, а после сушки и обжига приобретает камнеподобные свойства.
В зависимости от геологических условий образования глины разделяются на остаточные или первичные (элювиальные), образовавшиеся непосредственно на месте залегания материнской породы, и осадочные или вторичные, образовавшиеся путем переноса и переотложения водой, ветром или ледниками в новое место. Как правило, элювиальные глины низкого качества, в них сохраняются материнские породы, часто они засорены гидроксидами железа и обычно малопластичны.
Вторичные глины разделяются на делювиальные, перенесенные дождевыми или снеговыми водами, ледниковые и лессовые, перенесенные соответственно ледниками и ветром. Делювиальные глины характеризуются слоистыми напластованиями, большой неоднородностью состава и засоренностью различными примесями. Ледниковые глины обычно залегают линзами и сильно засорены посторонними включениями (от крупных валунов до мелкой щебенки). Наиболее однородны лессовые глины. Они характеризуются высокой дисперсностью и пористым строением.
Глинистые породы (глины, суглинки, аргиллиты, алевролиты, сланцы и другие), используемые в качестве сырья для производства керамических кирпичей и камней, должны соответствовать требованиям ОСТ 21-78-88 (срок действия до 01.01.96г.), а классификация сырья приведена в ГОСТ 9169-75*.
Пригодность глины для кирпича определяют, исходя из минерально-петрографической характеристики, химического состава, показателей технологических свойств и рациональной характеристики.
Основные минеральные составляющие глин: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды (иллит).
Каолинит (Al2O3 х2SiO2 х2Н2О) - имеет относительно плотное строение кристаллической решетки со сравнительно небольшим межплоскостным расстоянием 7,2 Å. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды, и при сушке глины с большим содержанием каолинита сравнительно свободно и быстро отдают присоединенную воду. Размер частиц каолинита 0,003 - 0,001 мм. Основные разновидности каолинитовой группы - каолинит, диккит, накрит. Каолинит наиболее распространен. Каолинит мало чувствителен к сушке и обжигу, слабо набухает в воде и обладает небольшой адсорбционной способностью и пластичностью.
Монтмориллонит - (Al2O3х2SiO2х2Н2О хпН2О) - имеет слабую связь между пакетами, так как расстояние между ними сравнительно велико - 9,6-21,4 Å, и оно может возрастать под воздействием вклинивающихся молекул воды. Иначе говоря, кристаллическая решетка монтмориллонита является подвижной (разбухающей). Поэтому монтмориллонитовые глины способны интенсивно поглощать большое количество воды, прочно ее удерживать и трудно отдавать при сушке, а также сильно набухать при увлажнении с увеличением в объеме до 16 раз. Размеры частиц монтмориллонита много меньше 1 мк (<0,001мм). Эти глины имеют наиболее высокую дисперсность среди всех глинистых минералов, наибольшую набухаемость, пластичность, связность и высокую чувствительность к сушке и обжигу.
Основными представителями монтмориллонитовой группы являются: монтмориллонит, нонтронит, бейделит.
Галлуазит - Al2O3х2SiO2х4Н2О - включает галлуазит, ферригаллуазит и метагаллуазит, является частым спутником в каолинитах и каолинитовых глинах. Галлуазит по сравнению с каолинитом обладает большей дисперсностью, пластичностью и адсорбционной способностью.
Гидрослюды - (иллит, гидромусковит, глауконит и др.) являются продуктом разной степени гидратации слюд. В значительных количествах они встречаются в легкоплавких глинах и в небольших количествах в огнеупорных и тугоплавких глинах.
Иллит (гидрослюда) - K2OхMgOх4Al2O3х7SiO2х2Н2О - является продуктом многолетней гидратации слюд, и ее кристаллическая решетка сходна с монтмориллонитом. Гидрослюды по интенсивности связи с водой занимают среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом. Размеры частиц гидрослюды порядка 1 мк ( ~0,001мм).
Примеси.
Кроме глинистых компонентов, в состав глинистых пород входят различные примеси, которые разделяются на кварцевые, карбонатные, железистые, органические и щелочные окислы.
Кварцевые примеси встречаются в глине в виде кварцевого песка и пыли. Они отощают глину и ухудшают ее пластичность и формовочные свойства, хотя крупный кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, а мелкий – ухудшает их. В то же время, кварцевые примеси ухудшают обжиговые свойства, понижая трещиностойкость обожженных изделий при их охлаждении, снижают прочность и морозостойкость.
Карбонатные примеси встречаются в глинах в 3-х структурных формах: в виде тонкодисперсных равномерно распределенных пылеватых частиц, рыхлых и мучнистых примазок и в виде плотных каменистых частиц.
Тонкодисперсные карбонатные примеси, разлагаясь при обжиге по реакции СаСО3 =СаО + СО2 , способствуют формированию пористого черепка и снижению его прочности. Эти мелкие включения не являются вредными для стеновой керамики. Рыхлые примазки и скопления при механической переработке глины легко разрушаются на более мелкие и не снижают существенно качество изделий.
Наиболее вредными и опасными являются каменистые карбонатные включения размером более 1 мм, так как после обжига керамики эти включения остаются в черепке в виде обожженной извести, которая в последующем при присоединении влаги из атмосферы или, например, при увлажнении обожженных изделий переходит в гидроокись кальция по схеме
СаО + Н2О = Са (ОН)2 + Q (тепло).
Учитывая, что объем гидроокиси по сравнению с СаО увеличивается более чем в четыре раза, в черепке возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие образование трещин. В случае, если этих включений много, возможно полное разрушение керамического изделия.
Железистые примеси окрашивают керамику в разные цвета: от светло-коричневого до темно-красного и даже черного. Органические примеси при обжиге выгорают, они существенно влияют на сушку изделия, так как вызывают большую усадку, что приводит к образованию трещин.
Химический состав глин.
Содержание основных химических составляющих в глинистой породе оценивают по количественному содержанию диоксида кремния, в том числе свободного кварца, сумме оксидов алюминия и титана, железа, кальция и магния, калия и натрия, сумме соединений серы (в пересчете на SO3), в том числе сульфидной.
Обычно химический состав легкоплавких глин составляет, %: SiO2 – 60…85; Al2O3 вместе с TiO2 – не менее 7; Fe2O3 вместе с FeO- не более 14; CaO + MgO – не более 20; R2 O (K2O + Na2O) – не более 7.
Сравнительная характеристика химического состава различных глин приведена в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав глин
| Тип глин | Содержание, % | |||||||
| SiO2 | Al2O3 + TiO2 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O + Na2O | ппп | |
| Огне-упорные | 46-62 | 25-39 | 0,4-2,7 | 0,2-0,8 | 0,2-1 | следы -0,5 | 0,3-3 | 8-18 |
| Тугоплавкие | 53-73 | 16-29 | 1-9 | 0,5-2,0 | 0,3-2,6 | следы -0,6 | 0,7-3,2 | 4-12 |
| Легко-плавкие | 55-80 | 7-21 | 3-12 | 0,5-15 и более | 0,5-3 | следы -3 | 1-5 | 3-15 и более |
Кремнезем (SiO2) находится в глинах в связанном и свободном состояниях. Первый входит в состав глинообразующих минералов, а второй представлен кремнеземистыми примесями. С увеличением содержания SiO2 пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Предельное содержание SiO2 – не более 85%, в том числе свободного кварца – не более 60%.
Глинозем (Al2O3) находится в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. С увеличением содержания Al2O3 повышается пластичность и огнеупорность глин. Обычно по содержанию глинозема косвенно судят об относительной величине глинистой фракции в глинистой породе. Глинозема содержится от 10-15% в кирпичных и до 32-35% - в огнеупорных глинах.
Оксиды щелочноземельных металлов (СаO и MgO) в небольших количествах участвуют в составе некоторых глинистых минералов. При высоких температурах СаО вступает в реакцию с Al2O3 и SiO2 и, образуя эвтектические расплавы в виде алюмо-кальций-силикатных стекол, резко понижают температуру плавления глин.
Оксиды щелочноземельных металлов (Na2O и K2O) входят в состав некоторых глинобразующих минералов, но в большинстве случаев участвуют в примесях в виде растворимых солей и в полевошпатовых песках. Они понижают температуру плавления глины и ослабляют красящее действие Fe2O3 и TiO2. Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности.
В качестве предельного значения соединений серы в пересчете на SO3 принимается не более 2%, в том числе сульфидной – не более 0,8%. При наличии SO3 более 0,5%, в том числе сульфидной не более 0,3%, в процессе испытаний глинистой породы должны определяться способы устранения высолов и выцветов на необожженных изделиях путем перевода растворимых солей в нерастворимые.