Формовочные материалы (стр. 9 )

Химический состав слюд К2О×3Al2O3×6SiO2×2H2O с температурой плавления 1150–1400°С.

В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся
к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент
(до 30%) каолинитовых глин.

Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит Al2O3×4SiO2×H2O×nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+ на Mg2+, а Si4+ – на Al3+.

Особенностью монтмориллонита является способность расширяться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристаллической решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температура плавления монтмориллонита – 1250–1300°С. Он способен отдавать или поглощать влагу из воздуха.

При нагревании до 100–150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество.

В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость.

Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.

4.3. Структура глин

Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строение. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в виде пластинок толщиной 5×10-10м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. 4.1,а). Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (см. рис. 4.1,б).

Рис. 4.1. Схема кристаллических решеток глинистых минералов:

а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита

Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих так называемый “пакет” (см. рис. 4.1,в). Ввиду того, что отдельные пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолиновой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины составляет около 2×10-10м, а радиус молекул воды – 1,45×10-10м, вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено.

Кристаллическая решетка минерала монтмориллонита состоит
из трех слоев: двух кремнекислородных и одного гидроксильного
(рис. 4.1,г). Так как отдельные пакеты монтмориллонитовой глины соприкасаются плоскостями с одноименными атомами, связь между ними возникает непрочная (валентная). При увлажнении такой глины молекула воды легко проникает в межпакетный зазор, увеличивая его до 20×10-10м. Этим и объясняют высокую диспергирующую и связующую способность монтмориллонитовых глин.

Рис. 4.2. Схема глинистой мицеллы:

а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка
(двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка); 2 – ионы;
3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы

При смешивании глин с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. В таком растворе вокруг глинистого минерала имеются ионы адсорбированного и диффузионного слоев мицелл (коллоидных частиц) (рис. 4.2), которые могут замещаться ионами другого элемента, имеющего тот же знак заряда. К обменным ионам в глинах относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+. При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются. При замене ионов Са2+ ионами Na+ (при обработке глин содой) связующие свойства глин повышаются.

Способность глин к ионному обмену измеряется в миллиэквивалентах на 100 г глины.

4.4. Классификация глин

В соответствии с ГОСТ 3226–93 и ГОСТ 28177–89 формовочные глины делятся в зависимости от минералогического состава на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Минералогический состав формовочных глин

Наименование вида глины	Основной породообразующий минерал
Каолиновая и каолинитогидро- слюдистая	Каолинит и каолинит с гидрослюдой Al2O3×2SiO2× 2H2О
Бентонитовая	Монтмориллонит Al2O3×4SiO2× H2O× nH2O

Каолинитовые и каолинитогидрослюдистые глины делятся на марки в зависимости от предела прочности во влажном состоянии (табл. 4.2).

Бентонитовые глины делятся на три группы по пределу прочности при разрыве в зоне конденсации, а каолинитовые и каолинито­гидро­слюдистые – по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии (табл. 4.3).

Таблица 4.2

Предел прочности при сжатии во влажном состоянии формовочных глин

Марки	Предел прочности при сжатии во влажном состоянии, Па (кгс/см2), не менее
бентонитовой	каолиновой, каолинитогидрослюдистой
П (прочная)	8,826×104 (0,9)	4,903×104 (0,5)
С (среднепрочная)	6,865×104 (0,7)	3,432×104 (0,35)
М (малопрочная)	4,903×104 (0,5)	1,961×104 (0,2)

Таблица 4.3

Предел прочности при разрыве в зоне конденсации бентонитовой
и при сжатии в сухом состоянии каолинитовой глин

Группа	Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, Па,(кгс/см2), не менее	Группа	Предел прочности при сжатии в сухом состоянии, Па,( кгс/см2), не менее
бентонитовой	каолинитовой и каолинитогидро- слюдистой
1 (высокосвязующая)	0,275×104 (0,028)	1 (высокосвязующая)	34,323×104 (3,5)
2 (связующая)	0,196×104 (0,020)	2 (среднесвязующая)	24,516×104 (2,5)
3 (среднесвязующая)	0,147×104 (0,015)	3 (малосвязующая)	14,710×104 (1,5)

По химико-минералогическим показателям глины должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Химико-минералогические показатели формовочных глин

Признак классификации	Каолинитовые и каолинитогидрослюдные (ГОСТ 3226–93)	Бентонитовые (ГОСТ 28177–89)
Норма	Норма
высокая	средняя	низкая	высокая	средняя	низкая
Массовая доля монтмориллонита, %	–	–	–	70,0	50,0–70,0	30,0–50,0
Массовая доля Al2O3, %	Cв. 33,0	28,0–33,0	23,0–28,0	–	–	–
Потеря массы при прокаливании, %	14,0–18,0	10,0–14,0	Не более 10	8,0–12,0	4,0–8,0	Менее 4,0
Массовая доля железа в пересчете на Fe2O3, %	3,0–4,5	1,5–3,0	Не более 1,5	–	–	–
Коллоидальность, %	Св.20,0	14,0–20,0	8,0–14,0	Св.80,0	40,0–80,0	10,0–40,0
Концентрация обменных катионов, мг×экв./100 г сухой глины	Св.25,0	15,0–25,0	7,0–15,0	Св.80,0	50,0–80,0	30,0–50,0
Массовая доля монтмориллонита, %	–	–	–	Св.70,0	50,0–70,0	30,0–50,0
Массовая доля карбоната в пересчете на СаСО3, %	–	–	–	5,0–10,0	2,0–5,0	Менее 2,0
Массовая доля сульфидной серы, %	–	–	–	0,2–0,3	–	Менее 0,2
Водопоглощение, единиц	–	–	–	Св. 6,6	5,1–6,5	1,5–5,0

Примечание. При суммарном преобладании в обменном комплексе ионов натрия и калия природные бентонитовые глины классифицируют как натриевые (Н), при суммарном преобладании ионов кальция и магния – как кальциевые (К).

Гранулометрический состав глин характеризует их степень
дисперсности и наличие в них крупнозернистых включений. О степени дисперсности судят по содержанию глинистой составляю-
щей (т. е. частиц размером меньше 0,02 мм), которая определяется путем отмучивания по ГОСТ 3594.12–93. Массовая доля глинистой составляющей для комовых каолинитовых и каолинитогидрослюдистых глин должна быть не менее 65%, для бентонитовых глин –
не менее 75%. Оставшаяся после отмучивания часть глины относится к песчаной фракции, чаще всего состоящей из зерен кварцевого песка.