2.2. Глинисті мінерали

Слово «глина» має два значення. Глинами називають визначені види гірських порід і тонкодисперсні (пилуваті) фракції глинистої породи. У другому випадку проводять різницю між власне глинистою частиною породи та включеннями, що входять до складу глинистої гірської породи. Глинистою сировиною служать тонко дрібні гірські породи різноманітного хіміко-мінералогічного складу, що зустрічаються у природі в пухкому, пастоподібному, або ущільненому стані.

Глинисті мінерали являють собою тонкозернисті водяні алюмосилікати, що у суміші з водою набувають пластичності. Загальну їхню хімічну формулу може бути представлено у вигляді m×Al₂О₃ n×SiO q×H₂О. В залежності від розміру m, n, q, їх хімічний склад, мінералогічні та фізичні характеристики змінюються в надзвичайно широких межах. Для глин найбільш характерна шарувата структура. Глинисті мінерали цілком складаються з електрично нейтральних алюмосилікатних прошарків, що можуть легко зрушуватися один щодо одного, обумовлюючі такі їхні фізичні властивості, як м'якість, відчутну жирність і спроможність легко розколюватися по площинах спайності. Усі глинисті мінерали є вторинними геологічними утвореннями, тобто вони виникнули в родовищах, у яких була присутня вода, як продукт зміни алюмосилікатних гірських порід. Більшість глинистих мінералів є продуктом вивітрювання та осадження, але вони можуть також утворитися в гідротермальних умовах. Механізм утворення глин дотепер ще цілком не вивчений.

У керамічних виробах глини виконують дві важливі функції. По-перше, вони надають масам пластичність, що необхідно для більшості, звичайно, використовуваних процесів формування. Спроможність водно-глинистих композицій формуватися та зберігати міцність і форму у процесі сушіння та випалу є основою більшості керамічних процесів. По-друге, глини обпалюють (у температурному інтервалі, що залежить від їхнього складу) таким чином, що зміцнення та ущільнення, які відбуваються при цьому, не викликають втрати форми виробів. Дуже чисті глини вогнетривкі, а забруднені плавляться при відносно низькій температурі.

Найбільш звичайні глинисті мінерали можуть бути класифіковані відповідно до їхньої структури на каолінітову, монтморилонітову й іллітову (гідрослюди) групи. Зовсім нещодавно було встановлено, що мінерали хлоритової групи є найважливішою складовою частиною більшості родовищ глин. Зазначена класифікація ґрунтується на кристалографічній структурі глинистих мінералів і відповідає їх ідеальним хімічним формулам, приведеним нижче.

Каолініт Al₂(Si₂O₅)(OH)₄

Галуазит Al2(Si2o5)(oh)42h2o

Пірофіліт Al₂(Si₂O₅)₂(OH)₂

Монтморилоніт

Слюда Al₂K(Si_1.5Al_0.5O₅)₂(OH)₂

Ілліт Al_2-x×Mg_x× K_1-x-y(Si_1.5-y Al_0.5+y O₅)₂(OH)₂

Каолініти (каолініт, діккіт, накріт) мають частки розміром 1-3 мкм, вони не спроможні приєднувати і міцно утримувати велику кількість води, при сушінні порівняно вільно віддають приєднану воду. Глинисті породи, у яких переважають каолінітові мінерали, називають каолінами. Каоліни з невеличкою кількістю домішок вогнетривкі, помірковано або мало пластичні, мало дошкульні сушінню й випалу, мають білий колір іноді з кремовим, або сіруватим відтінком. Вони є основною сировиною для виробництва санітарних керамічних виробів. Каоліни можуть бути, як первинними, так і вторинними; вони є білопаленим матеріалом і можуть мати, як погану, так і достатньо гарну пластичність.

Монтморилоніти (монтморилоніт, нонтронит, бейделіт) інтенсивно поглинають досить велику кількість води, міцно її утримують і важко віддають при сушінні. При зволоженні вони сильно набухають і можуть збільшуватися в об'ємі в 16 разів. Розміри часток монтморилоніту менше 1 мкм. Глинисті породи, у яких переважають монтморилонітові мінерали, називаються бентонітами. Такі глини високо пластичні, дають значну повітряну усадку, мають підвищену схильність до тріщиноутворення у процесі сушіння та спушування у процесі випалу. Бентоніти використовують у якості добавок у маси для підвищення їхньої пластичності і сполучної спроможності.

Гідрослюди (ілліт, гідромусковіт) мають у своєму складі значну кількість оксидів лужних і лужноземельних металів. Розміри часток гідрослюди 1 мкм. Гідрослюдисті глини по ступені зв'язку з водою і по своїх властивостях займають середнє положення між каолінітом і монтморилонітом. Вони помірно, або середньо пластичні, мають знижену температуру спікання, широко застосовуються для виробництва будівельної кераміки.

У залежності від кількісного переваження того, або іншого глинистого мінералу розрізняють глини каолінітові, гідрослюдисті, монтморилонітові, гідрослюдисто-каолінітові, монтморилоніто-каолінітові, монтморилоніто-гідрослюдісті та полі мінеральні, що містять три і більш глинисті мінерали (табл. 2.1)

Таблиця 2.1

Речовинний склад глин

Глина	Вміст складових, %
	Каолініт	Гідрослюда	Монтморилоніт	Змішано шарові утворення	Кварц	Інші мінерали
Каолінітові	60-96	1-6	1-3	2-5	5-34	3-5
Каолініто-гідрослюдисті	15-65	8-55	-	-	12-55	1-3
Каолінітові з незначними домішками	15-65	3-30	3-35	12-15	12-50	1-5
Монтморилоніто-каолінітові	15-75	-	10-45	-	7-38	3-33

Геологічне походження. Природа глин визначається, головним чином, хімічним складом материнської породи, а також фізичними та хімічними умовами, у яких відбувалася її зміна. Лужні польові шпати мають тенденцію перетворюватися в каолініт. Феромагнезіальні мінерали, кальцієві польові шпати і вулканічний попіл, звичайно, перетворюються в монтморилоніт. У структуру каолініту не входять ніякі елементи, крім кремнію та алюмінію, у той час як у структуру монтморилоніту, ілліту та хлориту завжди входять і інші елементи, наприклад, магній і залізо.

Водневий показник (рН) середовища, що спостерігається в умовах того або іншого родовища, особливо сильно впливає на генезис глинистих мінералів. Так, каолініт утвориться переважно в кислому середовищі (наприклад, у середовищі, що утворюється органічними кислотами, або при окислюванні сульфідних мінералів), у котрої присутні основи мають тенденцію переходити в розчин. Крім того, каолініти можуть утворюватися у нейтральних умовах у місцях, де сильне ефективне вилуджування видаляє основи з гірських порід. Якщо процеси вивітрювання сприяють переведенню кремнезему в розчин, мінерал, що залишається, збагачується глиноземом і утворення каолінітів прискорюється. Монтморилоніт, очевидно, легше усього утвориться в нейтральному, або слабо лужному середовищі. Він легко змінюється і, звичайно, не зберігається у старих геологічних відкладеннях. Монтморилоніт структурно пов'язаний з іллітом і хлоритом і, очевидно, легко перетворюється в ці мінерали, особливо в морських родовищах, у яких калій і магній, присутні в достатньо високих концентраціях.

У загальному випадку, зміни, що мають місце у глинистих відкладеннях із моменту їхнього виникнення до повної литифікації, сприяють в остаточному підсумку утворенню іллітів і хлоритів і зникненню каолінітів і монтморилонітів. Це підтверджується тим фактом, що основна частина глин і глинистих сланців складається, головним чином, із двох перших мінералів.

Подібність і різниці між окремими глинистими мінералами стають добре зрозумілими при розгляді різниць у їхній кристалічній структурі. Проте крім кристалічної структури розмір і форма індивідуальних глинистих часток також роблять істотний вплив на керамічні властивості глин. Розмір цих часток дуже невеликий, звичайно, менше 0,005 мм, аж до колоїдної дисперсності.

Рис. 2.1. Схема утворення глинистих мінералів

Р

Рис. 2.2. Електронна мікрофотографія каоліну

(За Комером).

озмір часток глини є тою характеристикою, яка визначає, в основному, їх пластичність при змішуванні з водою.

Каолініт має правильну гарну кристалізацію у виді гексагональних пластинок (рис. 2.2.), а монтморилоніт, ілліти і хлорити мають менш чітку кристалізацію. Розмір і форма часток різноманітних глинистих мінералів наведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2