Свойства глины

Разнообразные и многочисленные свойства глин использованные с успехом в производстве керамических материалов и изделий  могут быть объединены в четыре основные группы: механические, водные, сушильные и термические.

◊Водные свойства глин

Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой. Поэтому для раскрытия и понимания механизма этих свойств, необходимо прежде всего рассмотреть строение системы глина — вода. Главнейшими водными свойствами глин являются влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропное упрочнение.

Влагоемкость представляет собой способность глины вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее вопреки действию силы тяжести. Вода в глине удерживается не только силами молекулярного притяжения; в диффузный слой часть воды проникает также путем осмотического всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться еще и капиллярными силами.

И осмотические и капиллярные силы от-носительно невелики по сравнению с силами молекулярного притяжения, поэтому осмотическая и капиллярная вода образуют группы свободной воды. Величина влагоемкости глины зависит от ее дисперсности и минералогического состава: с увеличением дисперсности, а следовательно и удельной поверхности глины, ее влагоемкость возрастает. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей влаго-емкостью, каолинитовые — наименьшей.

Читай также сырье для керамики

Набуханием называют способность глины увеличивать свой объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном контакте с жидкой водой. Количественно степень набухания измеряется относительным увеличением первоначального объема, выраженным в процентах, или приростом объема поглощенной влаги по отношению к первоначальному весу глины.

Частица глинистого вещества представляет собой агрегат из слипшихся первичных зерен глинообразующих минералов, иногда сцементированных природными цементами катионного комплекса. Набухание глин происходит вследствие того, что поляризованные молекулы воды вклиниваются между отдельными слипшимися зернами глины и, адсорбируясь на их поверхности, раздвигают их, создавая вокруг водную оболочку. У минералов с раздвигающейся кристаллической решеткой молекулы воды проникают также в пространство между отдельными слоями (пакетами) решетки, образуя межслоевую воду.

Степень набухания зависит от дисперсности глин и состава их глинообразующих минералов. У высокодисперсных глин степень набухания наибольшая вследствие большой величины их удельной поверхности. У монтмориллонитовых глин, которые характеризуются подвижностью кристаллической решетки, степень набухания выше, чем у каолинитовых. Структура пакета кристаллической решетки каолинита такова, что один его конец представлен ионом Н+, а второй — ОН-.

Поэтому концы двух пакетов прочно сцеплены между собой ионами, имеющими противоположные заряды, и раздвинуть такую решетку молекулы воды не могут, их взаимодействие ограничивается лишь адсорбцией на поверхности минерального зерна. У монтмориллонита строение кристаллической решетки симметричное: одноименные заряды кислорода на концах пакетов смыкаются, создавая непрочную связь. Поэтому молекулы воды легко вклиниваются в межпакетное пространство решетки монтмориллонита, раздвигая ее. Запесоченность глин понижает их набухание.

При набухании глины происходит ее контракция: объем набухшей глины меньше суммы объемов глины и воды, что объясняется сжатием воды и повышением ее плотности при адсорбировании зернами глинистых частиц. Процесс набухания во времени затухает. Рыхлые глины набухают быстрее, чем плотные. Монтмориллонитовые глины набухают быстрее, чем каолинитовые.

Размокание представляет собой распад в воде агрегированных глинистых частиц на более мелкие частицы или элементарные зерна с образованием полидисперсной системы.

Природа прочности глин объясняется несколькими факторами. Одним из них являются силы вторичных валентностей (ван-дер-ваальсовы силы), т.е. силы межмолекулярного притяжения. Они возникают вследствие поляризации молекул, а также дисперсионного взаимодействия, при котором движение электронов во взаимодействующих молекулах приводит к появлению мгновенных диполей и, как следствие, к взаимному их притяжению. Сцепление отдельных зерен минералов может происходить также за счет цементации ионами различных примесей, особенно если они сами окружены гидратной оболочкой.

Первой стадией диспергирования (распада) глинистой частицы является ее набухание, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами агрегата, расклинивают их. По мере возрастания толщины водной оболочки она все больше и больше экранирует действие межмолекулярных сил сцепления, ослабляя связь между отдельными зернами частицы. При достаточно толстых водных оболочках внешние их слои удерживаются уже не силами межмолекулярного притяжения, а капиллярным давлением внутри относительно крупных пор, если они не целиком заполнены водой.

В этом случае силы капиллярного давления стягивают отдельные зерна частицы, мешая им окончательно разъединиться. Когда же поры целиком окажутся заполненными водой, мениски исчезнут и одновременно прекратится действие сил капиллярного давления. После этого ничто уже не будет удерживать зерна-вблизи друг друга и они начнут свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии, что и будет означать полное размокание глины.

Процесс размокания начинается с поверхности глиняного куска. Набухшие его наружные слои, испытывая напряжения скалывания, постепенно отделяются, обнажая новые поверхности для взаимодействия с водой. Однако в плотных глинах отделения таких слоев почти не происходит, а гидратация их затрудняет доступ воды во внутренние слои куска. Поэтому плотные глины размокают очень трудно.

Перемешивание глины, сопровождающееся механическим разрушением ее отдельных кусков, обусловливает интенсивное обнажение новых поверхностей для взаимодействия с водой и тем самым ускоряет процесс размокания. Подогрев воды также ускоряет этот процесс вследствие уменьшения вязкости воды при нагреве, что облегчает ее проникание на большую глубину внутрь куска. Интенсивность размокания глины имеет большое практическое значение при приготовлении однородного пластичного теста и в особенности глиняных шликеров.

Под тиксотропным упрочнением понимают способность влажной глиняной массы самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться при неизменной влажности. С течением времени прочность глиняной массы возрастает. В этот момент структуру принудительно разрушают (например, разбалтывают шликер) и ее прочность падает до первоначальной, после чего она вновь восстанавливается. После вторичного разрушения она вновь восстанавливает свою прочность и т.д.

Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации частиц глины и молекул воды таким образом, что они стыкуются концами, имеющими разноименные заряды, что увеличивает силу их сцепления. Очевидно, при этом также происходит процесс перехода части воды из свободных форм в связанные вследствие более глубокой с течением времени гидратации отдельных зерен глинистой массы. Интенсивность и величина тиксотропного упрочнения различна.

Тиксотропия глин отражается на литейных свойствах шликеров и используется для улучшения формовочных и сушильных свойств глин при приготовлении пластичного теста.

Пластичность глины

◊ Механические свойства
Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее связностью и пластичностью. При смачивании сухой глины ощущается характерный запах увлажняемой земли и выделение тепла. Молекулы воды (диполи) втягиваются между чешуйчатыми частицами каолинита и расклинивают их (рис. 1), вызывая набухание глины.

Рисунок-1. Схема расклинивающего действия адсорбируемой воды:

1 — слипшиеся глинистые частицы с отрицательными зарядами на концах; 2 — дипольная молекула воды (по М. И. Роговому)

Тонкие слои воды между пластинчатыми частицами глинистых минералов обусловливают характерные свойства глиняного теста. Это подтверждает следующий опыт. Расплющим между двумя чистыми стеклянными пластинками каплю воды и теперь почувствуем, как нелегко оторвать пластинки друг от друга (рис. 2).

Рисунок-2. Схема опыта, показывающего особые свойства тонких слоев воды, находящихся между поверхностями твердых тел:

Однако сопротивляясь отрыву, пластинки легко скользят при сдвиге, причем слой воды играет роль смазки, облегчающей скольжение, поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формующуюся пластичную массу.

Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму при последующих сушке и обжиге. Поскольку глиняное тесто представляет собой пластично-вязкую систему, к нему применимо уравнение Бингама — Шведова. Исходя из этого уравнения предложено характеризовать пластичность физическим показателем пластичности Ф(с^-1 ), который представляет отношение предельного напряжения сдвига τо к пластической вязкости η:

Ф=τо/η;
Тело не будет пластичным, если Ф = 0. Это возможно в двух случаях: 1) когда система текучая и τо= 0 или 2) когда тело хрупкое и η→∞ . Кривые зависимости показателя Ф от влажности глины позволяют установить оптимальную влажность, при которой проявляется наибольшая пластичность.

Техническим показателем пластичности является число пластичности: Пл=Wt-Wp,где Wt и Wp-влажность, соответствующие пределам текучести и раскатывания глиняного жгута, %( рисунок-3).

Рисунок-3. Изменение деформативных свойств глины в зависимости от ее влажности( по М.И. Роговому):

Область состояния: А-хрупкого; Б-пластического ; В-вязкотекучего.

для производства строительных керамических изделий обычно применяют умеренно пластичные глины с числом пластичности Пл-7-15. Малопластичные глины с Пл‹7 плохо формуются, а глины с Пл›15 растрескиваются при сушке и требуют отощения. Связующая способность глины проявляется в возможности связывания зерен непластичных материалов ( песка, шамота и др.). а также в образовании  при высыхании достаточно прочного изделия -сырца. Связующую способность глиняных строительных растворов используют при кладке печей, труб.

Усадка глины

◊ Сушильные свойства

Сушильные свойства  проявляются в способность глины отвердевать при высыхании. Особенностью глиняного теста является способность отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины обусловлена действием ван-дер -ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуя их разъеданию, вследствие этого происходит воздушная усадка.

При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды и глина размокает. Усадка — это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка глин). Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.

Воздушная усадка происходит в процессе испарения воды из сырца вследствие уменьшения толщины водных оболочек вокруг частиц глины, возникновения в порах сырца менисков и сил капиллярного давления, стремящихся сблизить частицы. В конце сушки возрастает роль осмотических явлений и межмолекулярного притяжения, усиливающих воздушную усадку.

Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2 — 3 до 10 — 12% в зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхностно-активные вещества (СДБ и др.), введенные в глиняную массу в количестве 0,05 — 0,2%, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяя сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку.

Другой способ снижения чувствительности глин к сушке предусматривает введение в глину 1 — 1,5% битумных и дегтевых веществ или орошение поверхности глиняного бруса, выходящего из ленточного пресса пленкообразующим составом (например, битумной эмульсией).

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может быть 2 — 8% в зависимости от вида глины,

Полная усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется в пределах от 5 до 18%. Соответственно увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие нужных размеров.

Термические свойства глины

Термические свойства проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная вода, затем выгорают органические вещества. При температурах 700 — 800°С происходит разложение безводного метакаолинита Al2O3·Si02, который образовался ранее (при 450 — 600°С) вследствие дегидратации каолинита.

Аморфная двуокись кремния и окись алюминия при повышении температуры (900°С и выше) вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит 3Al2O3·2SiO2. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950 — 1000°С. Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой фазы — силикатного расплава, который не только цементирует частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получают изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым водопоглощением (менее 5%).

Кварц присутствует в глине в виде кварцевого песка, его часто добавляют для отощения высокопластичных глин. Кварц претерпевает полиморфные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями. Наиболее часто встречающийся в природе β-кварц при 573°С обратимо переходит в α-кварц с увеличением объема на 0,82%.

Эта форма устойчива до 1050°С, поэтому при охлаждении керамических изделий, обожженных до 1000°С, α-кварц снова переходит в β-кварц с соответствующим уменьшением в объеме. При температуре выше 1050°С α-кварц переходит в α-кристобалит, который в свою очередь в интервале температур 1400 — 1450°С переходит в α-тридимит с объемным изменением 0,6%. Кварц плавится при 1723°С. Изменения объема зерен кварца, происходящие в процессе обжига, влияют на прочность и растрескивание керамического изделия.

◊ Спекаемость глины

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

Рисунок-4. Зависимость изменения водопоглощения керамического материала от температуры обжига

На рис. 4 видно, что с повышением температуры обжига возрастает степень спекания и уменьшается водопоглощение до точки С, так как при температуре tc отмечаются признаки пережога — оплавление или вспучивание материала. Интервал спекания равен tc-tа, где tа-температура начала спекания. Легкоплавкие глины ( для производства кирпича, керамзита) имеют интервал спекания 50-100°С, у огнеупорных глин он достигает 400°С.

◊ Огнеупорность глины

Огнеупорностью называют свойство глины противостоять действию высоких температур, не расплавляясь.

◊ Цвет глины