Різноманітні і численні властивості глин використані з успіхом у виробництві керамічних матеріалів і виробів можуть бути об'єднані в чотири основні групи: механічні, водні, сушильні і термічні.
◊Водние властивості глин
Водні властивості глин проявляються при їх вільному взаємодії з водою. Тому для розкриття і розуміння механізму цих властивостей, необхідно перш за все розглянути будова системи глина - вода. Найголовнішими водними властивостями глин є вологоємність, набухання, размокаемость і тіксотропних зміцнення.
Вологоємність є здатність глини вміщати в себе певну кількість води і утримувати її всупереч дії сили тяжіння. Вода в глині утримується не тільки силами молекулярного притягання; в дифузний шар частина води проникає також шляхом осмотичного всмоктування, а в порах глинистої породи вода може утримуватися ще і капілярними силами.
І осмотичні і капілярні сили від-носительно невеликі в порівнянні з силами молекулярного тяжіння, тому осмотическая і капілярна вода утворюють групи вільної води. Величина влагоемкости глини залежить від її дисперсності і мінералогічного складу: зі збільшенням дисперсності, а отже і питомої поверхні глини, її вологоємність зростає. Монтморилонітові глини мають найбільшу волого-ємністю, каолінітові - найменшою.
Читай також сировину для кераміки
Набуханням називають здатність глини збільшувати свій обсяг за рахунок поглинання вологи з повітря або при її безпосередньому контакті з рідкою водою. Кількісно ступінь набухання вимірюється відносним збільшенням початкового об'єму, вираженим у відсотках, або приростом обсягу поглиненої вологи по відношенню до початкового вазі глини.
Частка глинистого речовини являє собою агрегат з злиплих первинних зерен глиностворюючих мінералів, іноді зцементованих природними цементамі катіонного комплексу. Набухання глин відбувається внаслідок того, що поляризовані молекули води вклинюються між окремими злиплими зернами глини і, адсорбируясь на їх поверхні, розсовують їх, створюючи навколо водну оболонку. У мінералів з розсувних кристалічною решіткою молекули води проникають також у простір між окремими шарами (пакетами) решітки, утворюючи межслоевой воду.
Ступінь набухання залежить від дисперсності глин і складу їх глиностворюючих мінералів. У високодисперсних глин ступінь набухання найбільша внаслідок великої величини їх питомої поверхні. У монтморіллонітових глин, які характеризуються рухливістю кристалічної решітки, ступінь набухання вище, ніж у каолінітові. Структура пакета кристалічної решітки каолініту така, що один його кінець представлений іоном Н +, а другий - ОН.
Тому кінці двох пакетів міцно зчеплені між собою іонами, що мають протилежні заряди, і розсунути таку решітку молекули води не можуть, їх взаємодія обмежується лише адсорбцией на поверхні мінерального зерна. У монтмориллонита будова кристалічної решітки симетричне: однойменні заряди кисню на кінцях пакетів змикаються, створюючи неміцну зв'язок. Тому молекули води легко вклинюються в межпакетное простір решітки монтморилоніту, розсуваючи її. Запесоченность глин знижує їх набухання.
При набуханні глини відбувається її контракция: обсяг набряклою глини менше суми обсягів глини і води, що пояснюється стисненням води і підвищенням її щільності при адсорбції зернами глинистих частинок. Процес набухання в часі загасає. Пухкі глини набухають швидше, ніж щільні. Монтморилонітові глини набухають швидше, ніж каолінітові.
Розмокання є розпад в воді агрегованих глинистих частинок на більш дрібні частинки або елементарні зерна з утворенням полідисперсної системи.
Природа міцності глин пояснюється декількома факторами. Одним з них є сили вторинних валентностей (ван-дер-ваальсові сили), тобто сили міжмолекулярної тяжіння. Вони виникають внаслідок поляризації молекул, а також дисперсійного взаємодії, при якому рух електронів у взаємодіючих молекулах призводить до появи миттєвих диполів і, як наслідок, до взаємного їх тяжінню. Зчеплення окремих зерен мінералів може відбуватися також за рахунок цементації іонами різних домішок, особливо якщо вони самі оточені гідратної оболонкою.
Першою стадією диспергирования (розпаду) глинистої частинки є її набухання, коли молекули води, втягуючись в проміжки між зернами агрегату, розклинюють їх. У міру зростання товщини водної оболонки вона все більше і більше екранує дію міжмолекулярних сил зчеплення, послаблюючи зв'язок між окремими зернами частки. При досить товстих водних оболонках зовнішні їх шари утримуються вже не силами міжмолекулярної тяжіння, а капілярним тиском всередині щодо великих пір, якщо вони не цілком заповнені водою.
В цьому випадку сили капілярного тиску стягають окремі зерна частки, заважаючи їм остаточно відокремитися. Коли ж пори цілком виявляться заповненими водою, меніски зникнуть і одночасно припиниться дія сил капілярного тиску. Після цього ніщо вже не буде утримувати зерна-поблизу один одного і вони почнуть вільно переміщатися в воді, перебуваючи в ній в підвішеному стані, що і буде означати повне розмокання глини.
Процес розмокання починається з поверхні глиняного шматка. Набряклі його зовнішні шари, відчуваючи напруги сколювання, поступово відділяються, оголюючи нові поверхні для взаємодії з водою. Однак в щільних глинах відділення таких шарів майже не відбувається, а гідратація їх ускладнює доступ води у внутрішні шари шматка. Тому щільні глини размокают дуже важко.
Перемішування глини, що супроводжується механічним руйнуванням її окремих шматків, обумовлює інтенсивне оголення нових поверхонь для взаємодії з водою і тим самим прискорює процес розмокання. Підігрів води також прискорює цей процес внаслідок зменшення в'язкості води при нагріванні, що полегшує її проникнення на велику глибину всередину шматка. Інтенсивність розмокання глини має велике практичне значення при приготуванні однорідного пластичного тесту і особливо глиняних шликеров.
Під тиксотропним зміцненням розуміють здатність вологою глиняної маси мимовільно відновлювати порушену структуру і упрочняться при незмінній вологості. З плином часу міцність глиняної маси зростає. У цей момент структуру примусово руйнують (наприклад, розбовтують шликер) і її міцність падає до початкової, після чого вона знову відновлюється. Після вторинного руйнування вона знову відновлює свою міцність і т.д.
Самозміцнення глини відбувається внаслідок процесу переорієнтації частинок глини і молекул води таким чином, що вони стикуються кінцями, мають різнойменні заряди, що збільшує силу їх зчеплення. Очевидно, при цьому також відбувається процес переходу частини води з вільних форм в пов'язані внаслідок глибшої з плином часу гідратації окремих зерен глинистої маси. Інтенсивність і величина тиксотропного зміцнення різна.
Тиксотропія глин відбивається на ливарних властивостях шликеров і використовується для поліпшення формувальних і сушильних властивостей глин при приготуванні пластичного тесту.
◊ Механічні властивості
Глина, замішана з певною кількістю води, утворює глиняне тісто, що володіє зв'язністю і пластичністю. При змочуванні сухої глини відчувається характерний запах увлажняемой землі і виділення тепла. Молекули води (диполі) втягуються між лускатими частками каолініту і розклинюють їх (рис. 1), викликаючи набухання глини.
Малюнок 1. Схема расклинивающего дії адсорбованих води:
1 - злиплі глинисті частинки з негативними зарядами на кінцях; 2 - дипольная молекула води (по М. І. Рогового)
Тонкі шари води між пластинчастими частками глинистих мінералів обумовлюють характерні властивості глиняного тіста. Це підтверджує наступний досвід. Розплющити між двома чистими скляними пластинками краплю води і тепер відчуємо, як нелегко відірвати пластинки один від одного (рис. 2).
Малюнок-2. Схема досвіду, що показує особливі властивості тонких шарів води, що знаходяться між поверхнями твердих тіл:
Однак опираючись відриву, пластинки легко ковзають при зсуві, причому шар води відіграє роль мастила, що полегшує ковзання, тому глина, змішана з водою, дає легку форму пластичну масу.
Пластичністю глини називають її властивість у вологому стані приймати під впливом зовнішнього впливу бажану форму без утворення розривів і тріщин і зберігати отриману форму при наступних сушінні і випалі. Оскільки глиняне тісто являє собою пластично-в'язку систему, до нього може бути застосовано рівняння Бінгама - Шведова. Виходячи з цього рівняння запропоновано характеризувати пластичність фізичним показником пластичності Ф (с-1), який представляє відношення граничного напруження зсуву τо до пластичної в'язкості η:
Ф = τо / η;
Тіло не буде пластичним, якщо Ф = 0. Це можливо в двох випадках: 1) коли система текуча і τо = 0 або 2) коли тіло крихке і η → ∞. Криві залежності показника Ф від вологості глини дозволяють встановити оптимальну вологість, при якій проявляється найбільша пластичність.
Технічним показником пластичності є число пластичності: Пл = Wt-Wp, де Wt і Wp-вологість, відповідні меж плинності і розкочування глиняного джгута,% (рисунок-3).
Малюнок-3. Зміна деформативних властивостей глини в залежності від її вологості (за М. І. Рогового):
Область стану: А-крихкого; Б-пластичного; По-вязкотекучего.
для виробництва будівельних керамічних виробів зазвичай застосовують помірно пластичні глини з числом пластичності Пл-7-15. Малопластичні глини з Пл <7 погано формуються, а глини з Пл> 15 розтріскуються при сушінні і вимагають отощенія. Єднальна здатність глини проявляється в можливості зв'язування зерен непластічних матеріалів (піску, шамоту та ін.). а також в освіті при висиханні досить міцного вироби сирцю. Сполучну здатність глиняних будівельних розчинів використовують при кладці печей, труб.
усадка глини
◊ Сушильні властивості
Сушильні властивості проявляються в здатність глини тверднути при висиханні. Особливістю глиняного тесту є здатність тверднути при висиханні на повітрі. Міцність висушеної глини обумовлена дією ван-дер -ваальсових сил і цементацією зерен мінералів іонами домішок. сили капілярного тиску стягають частки глини, перешкоджаючи їх роз'їдання, внаслідок цього відбувається повітряна усадка.
При насиченні водою меніски зникають, припиняється дія капілярних сил, частки вільно переміщаються в надлишку води і глина розмокає. Усадка - це зменшення лінійних розмірів і об'єму глиняного сирцю при його сушінні (повітряна усадка) і випаленні (вогнева усадка глин). Усадку виражають у відсотках від початкового розміру вироби.
Повітряна усадка відбувається в процесі випаровування води з сирцю внаслідок зменшення товщини водних оболонок навколо часток глини, виникнення в порах сирцю менісків і сил капілярного тиску, що прагнуть зблизити частинки. В кінці сушіння зростає роль осмотичних явищ і міжмолекулярної тяжіння, що підсилюють повітряну усадку.
Для різних глин лінійна повітряна усадка коливається від 2 - 3 до 10 - 12% в залежності від вмісту тонких фракцій. Для зменшення усадочних напруг до жирних глин додають отощители. Поверхнево-активні речовини (СДБ і ін.), Введені в глиняну масу в кількості 0,05 - 0,2%, покращують змочування часток глини водою, дозволяючи скоротити формувальну вологість і знизити повітряну усадку.
Інший спосіб зниження чутливості глин до сушіння передбачає введення в глину 1 - 1,5% бітумних і дьогтьових речовин або зрошення поверхні глиняного бруса, що виходить зі стрічкового преса плівкотвірних складом (наприклад, бітумною емульсією).
Вогнева усадка виходить з-за того, що в процесі випалу легкоплавкі складові глини розплавляються і частки глини в місцях їх контакту зближуються. Вогнева усадка може бути 2 - 8% в залежності від виду глини,
Повна усадка, що дорівнює сумі алгебри повітряної та вогневої усадки, коливається в межах від 5 до 18%. Відповідно збільшують розміри форм, щоб отримати готовий виріб потрібних розмірів.
Термічні властивості глини
Термічні властивості проявляються в процесі нагрівання глини при високих температурах. Найважливішими з них є вогнетривкість, вогнева усадка, спекаемость і інтервал випалу.
В процесі високотемпературного випалу глина зазнає глибокі фізико-хімічні зміни. Спочатку випаровується вільна вода, потім вигорають органічні речовини. При температурах 700 - 800 ° С відбувається розкладання безводного метакаолініта Al2O3 · Si02, який утворився раніше (при 450 - 600 ° С) внаслідок дегідратації каолініту.
Аморфна двоокис кремнію та окис алюмінію при підвищенні температури (900 ° С і вище) знову з'єднуються, утворюючи штучний мінерал муллит 3Al2O3 · 2SiO2. Мулла надає обпаленого керамічного виробу водостійкість, міцність, термічну стійкість. З його освітою глина необоротно переходить в камневидное стан. Разом з утворенням муллита розплавляються легкоплавкі складові глини, цементуючи і зміцнюючи матеріал.
Випалювання цегли та інших пористих виробів зазвичай закінчується при температурі 950 - 1000 ° С. Подальше підвищення температури різко інтенсифікує утворення та накопичення рідкої фази - силікатного розплаву, який не тільки цементує частки глини, а й ущільнює керамічний матеріал. В результаті отримують вироби з щільним керамічним черепком, що відрізняється малим водопоглинанням (менше 5%).
Кварц присутній в глині у вигляді кварцового піску, його часто додають для отощенія високопластичних глин. Кварц зазнає поліморфні перетворення, що супроводжуються об'ємними змінами. Найбільш часто зустрічається в природі β-кварц при 573 ° С можна зупинити переходить в α-кварц зі збільшенням обсягу на 0,82%.
Ця форма стійка до 1050 ° С, тому при охолодженні керамічних виробів, обпалених до 1000 ° С, α-кварц знову переходить в β-кварц з відповідним зменшенням в обсязі. При температурі вище 1050 ° С α-кварц переходить в α-кристобалит, який в свою чергу в інтервалі температур 1400 - 1450 ° С переходить в α-тридимит з об'ємним зміною 0,6%. Кварц плавиться при 1 723 ° С. Зміни обсягу зерен кварцу, що відбуваються в процесі випалу, впливають на міцність і розтріскування керамічного виробу.
◊ спікливістю глини
Спікливістю глин називають їх властивість ущільнюватися при випалюванні і утворювати камнеподобний черепок.
Малюнок-4. Залежність зміни водопоглинання керамічного матеріалу від температури випалу
На рис. 4 видно, що з підвищенням температури випалу зростає ступінь спікання і зменшується водопоглинання до точки С, так як при температурі tc відзначаються ознаки пережога - оплавлення або спучування матеріалу. Інтервал спікання дорівнює tc-tа, де tа-температура початку спікання. Легкоплавкі глини (для виробництва цегли, керамзиту) мають інтервал спікання 50-100 ° С, у вогнетривких глин він досягає 400 ° С.
◊ Огнеупорность глини
Огнеупорностью називають властивість глини протистояти дії високих температур, не розплавляючись.
◊ Колір глини
Колір глини після випалу має істотне значення для облицювальних керамічних виробів (лицьові цегла і керамічні камені, теракотова плитка), а також для тонкої кераміки. Для отримання білого черепка випал ведуть в відновної середовищі (при наявності вільних СО і Н2 в газах) і при певних температурах, щоб окис заліза перевести в закис. Не бажані в глині великі зерна піриту (FeS2) і оксидів заліза, що утворюють на черепку після випалу чорні точки. Виділення вільної окису заліза при нагріванні між 450 і 800 ° С надає виробу червонувате або жовтувате фарбування. Оксиди титану викликають глибоку синюватого забарвлення черепка.