Водные свойства глин

1. Лекция № 5

Водные свойства глин

2. План лекции:

Водные свойства: влагоемкость,
набухание, размокание, тиксотропное
упрочнение.
Строение системы: «глина-вода».
Классификация форм влаги в глиняных
массах и их свойства.

3.

При свободном взаимодействии глинистого сырья с
водой проявляются его водные свойства
Глина в смеси с водой и добавками образовывает
различные по физическому состоянию массы – от
твердого тела до текучей жидкости
В зависимости от содержания воды могут быть:
- жесткие (сухие или полусухие), с содержанием воды
затворения в количестве 4-12 % по массе;
- пластичные - 18-28 % по массе;
- литьевые (шликеры) – 30 % и более.

4.

Водозатворяемость (вода затворения) показывает какое
количество воды необходимо добавить к абсолютно сухой
глине (в % по массе) для получения пасты нормальной
рабочей рабочей консистенции
Водозатворяемость Вз связана с молекулярной
влагоемкостью Вм следующим соотношением: Вз = 1,7.Вм
Чаще глины в смеси с водой образуют вязкое пластичное
тесто, способное принимать любую форму в сыром виде и
сохранять ее после сушки и обжига
С уменьшением размеров глинистых частиц возрастает
количество связанной воды в глинах, а также влияние
адсорбционных процессов на свойства глинистых пород
Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом
состоянии, всегда имеют связанную с поверхностью воду
(гигроскопическая влага)

5.

Влагоемкость - способность глины вмещать в
себя определенное количество воды и
удерживать ее вопреки действию силы тяжести
Максимальная молекулярная влагоемкость
соответствует содержанию в глине воды,
связанной с глинистыми частицами
молекулярными силами
С увеличением удельной поверхности
(дисперсности) глины ее влагоемкость возрастает
Монтмориллонитовые глины обладают большей
влагоемкостью, каолинитовые – наименьшей

6.

Набухание – способность глины увеличивать свой объем за счет
поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном
контакте с водой, зависит от природы тонкодисперсной части глин
Различают два взаимосвязанных процесса, сопутствующих
процессу набухания: капиллярное всасывание и собственно само
набухание
Капиллярное всасывание – способность глинистых пород к
впитыванию воды и размоканию
Процесс набухания во времени затухает
Рыхлые породы набухают быстрее, чем плотные
Запесоченность глин понижает степень их набухания
Монтмориллонитовые глины сильнее набухают (18-25%), чем
каолинитовые (3-10%). Гидрослюдисто- монтмориллонитовые –
16-18%, лессовидные глины и суглинки, содержащие
монтмориллонит – 9-24%

7.

Количественно степень набухания измеряется
относительным увеличением первоначального объема,
выраженным в % или набухаемостью – приростом
объема поглощенной воды по отношению к
первоначальной массе глины
Поскольку частица глинистого вещества представляет
собой агрегат из слипшихся первичных зерен
глинообразующих минералов, поляризованные
молекулы воды вклеиваются между ними, и
адсорбируясь на их поверхности раздвигают зерна,
создавая вокруг них водную оболочку вследствие чего
глина набухает

8.

Размокание - распад в воде крупных глинистых
агрегатов на более мелкие и элементарные частицы
Первая стадия распада глинистого агрегата
происходит при его набухании, когда молекулы воды,
втягиваясь в промежутки между зернами глины,
расклинивают их
По мере увеличения толщины водной оболочки
ослабляется связь между отдельными зернами глины, и
они начинают свободно перемещаться в воде, находясь
в ней во взвешенном состоянии, - происходит полное
размокание глины.
Плотные глины размокают очень трудно
Для ускорения процесса размокания глины
перемешивают, механически разрушая ее куски или
подогревают воду

9.

Самопроизвольное обратимое упрочнение нарушенной структуры глинистых
масс разной степени влажности, происходит под воздействием тиксотропии
Тиксотропное упрочнение – свойство влажной глиняной массы
самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и прочность при
постоянной влажности
Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации
частиц глины и молекул воды, что увеличивает силу их сцепления. При этом
происходит процесс перехода части свободной воды в связанную
Причина тиксотропного упрочнения связана с развитием сольватных
оболочек на глинистых частицах
Через сутки, двое тиксотропное упрочнение достигает предела
Если глинистую массу пробить или промять, ее прочность вернется к
прежнему уровню, но затем снова начнет нарастать. Процесс этот повторим
многократно
Тиксотропия глин важна для приготовления шликеров, пластичного теста и
формовании изделий
При выдерживании или вылеживании глинистой массы разной степени
влажности, но без потери ею влаги происходит нарастание механической
прочности под влиянием тиксотропии
С механической стороны, тиксотропия проявляется также в увеличении
упругой деформации глины

10.

Вода обычно представляется нам вполне однородной
средой, а молекулы воды – электрически нейтральной
Однако по современным представлениям отдельные
слои водной оболочки, окружающей глинистый
минерал, физически неоднородны, а молекулы воды
имеют дипольное строение и, следовательно, концы
молекулы электрически заряжены
Пленка воды имеет неодинаковую толщину в пределах
поверхности частицы
Количество воды, связываемой с поверхностью частиц,
зависит от величины, минералогического состава и
обменных катионов

11. Строение системы «глина-вода» для элементарного глинистого сырья можно представить следующим образом

Строение системы «глина-вода»
ОН-
Мономинеральный
слой
Н+
Диффузный слой

12.

Глинистые частицы, находясь даже в воздушно-сухом состоянии, всегда
имеют связанную с их поверхностью воду (гигроскопическая влага)
В глинах различают три вида воды: химически связанную и два вида
физически связанной – прочно связанную и механически примешанную
(рыхло связанную)
Первая образует мономинеральную пленку. Этот процесс
экзотермический
Химически связанная вода исключительно прочно связана с
материалом и может быть удалена только при химическом
взаимодействии или при особо интенсивной тепловой обработке
(прокаливании)
Слой такой воды мономолекулярен и этот процесс экзотермический
Мономолекулярный слой воды – слой воды толщиной в 1 молекулу.
Диаметр молекул - 3-10-5 см, является адсорбционно связанной
Прочно связанная вода естественно переходит в рыхло-связанную,
которая размещается между частицами глины более свободно,
подвижно и выдавливается из глины при компрессии

13.

Рыхлосвязанной воды становится тем больше, чем ближе подходит
состояние глины к «рабочему водосодержанию»
Рабочее водосодержание – такое состояние глины и воды, когда
глинянная масса становится пластичной и приобретает способность
формоваться, при этом глинянная масса не липнет к тыльной стороне
руки
Физико-химическая связь. Этой форме соответствуют различные связи
влаги:
а) адсорбционно-связанная вода (поглощенная)
б) осмотически-удержанная вода (влага набухания)
в) структурная влага
■ К осмотически удержанной влаге и структурной влаге относится влага,
находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощающая осмотически
сложно построенной мицеллой, так и иммобилизованная структурная
влага, захваченная при формировании геля. Эта влага является
свободной
■ При формировании геля образуется скелет из замкнутых клеток, стенки
которой состоят из нерастворимых фракции

14.

Поверхность зерна глинообразующего минерала имеет отрицательные
заряды, которые создают вокруг него силовое поле
Под их воздействием дипольные молекулы воды своими положительными
концами (Н+) ориентируются по направлению к отрицательному заряду
зерна и плотно окружают его поверхность, создавая мономинеральный, а
далее полиминеральный слои адсорбированной воды
Эти слои будучи сильно сжаты под действием силового поля образуют
прочно связанную воду, обладающую особыми свойствами
По мере удаления от поверхности зерна напряженность силового поля, а
следовательно, и интенсивность притяжения молекул убывает
Молекулы воды, относительно отдаленные от поверхности зерна, но все
же находящиеся под воздействием силового, хотя и отрицательно слабого
поля, имеют уже некоторую свободу перемещения. Они образуют
диффузный слой, в котором вода является рыхло-связанной
Таким образом, зерно глинистого минерала окружено концентрическими
слоями воды, каждый из которых удерживается глинистой частицей с
различной силой, убывающей от ее поверхности к периферии
Таким строением водной оболочки объясняются водные свойства глин –
влагоемкость, набухание, размокаемость и тиксотропное упрочнение

15.

Количеством выделяемого тепла, называемого
теплотой смачивания, возможно определить
количество прочно связанной воды
Количество прочно связанной воды можно
определить по максимальной гигроскопической
влажности образца
Количество рыхло связанной воды вычисляют как
разность между всей связанной водой и прочно
связанной
Количество всей связанной воды принимается
равным максимальной молекулярной влагоемкости

16.

Вода в глине удерживается не только силами молекулярного
притяжения
В диффузный слой часть воды проникает путем осмотического
всасывания, а в порах глинистой породы вода может удерживаться
еще и капиллярными силами. При этом осмотические и
капиллярные силы относительно невелики по сравнению с силами
молекулярного притяжения. Поэтому осмотическая и капиллярная
вода образуют группу свободной воды
Осмос (толчок, давление) – проникновение, просачивание
растворителя сквозь тонкую перегородку, непроницаемую для
растворенных веществ
Осмос – одностороння диффузия растворителя через
полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от
чистого растворителя
С увеличением дисперсности, а следовательно, и удельной
поверхности глины, ее влагоемкость возрастает
Под капиллярной влагоемкостью понимают относительное
равновесное количество воды, поглощенное глиной при ее
непосредственном контакте с водой

17.

Абсорбционно связанная вода – жидкость,
удерживаемая силовым полем на внешней и
внутренней поверхности мицелл коллоидного тела
Мицелла – коллоидная частица с сольватным слоем
Сольват – взаимодействие молекул растворителя с
молекулами растворенного тела, а иногда и со
вторым слоем ионов, строение которых определяет
заряд мицеллы
Коллоидные материалы характеризуются весьма
значительной дисперсностью частиц, условный
радиус которых составляет 0,1-0,001 мк.
Чем тоньше частицы, тем больше удельная
поверхность и тем они активнее