Глины образовались в результате выветривания изверженных полевошпатовых горных пород (гранита, гнейса и др.). Процесс выветривания этих горных пород заключается в их механическом разрушении и химическом разложении полевого шпата и других алюмосиликатных минералов при воздействии воды и углекислоты.
Вещество, образующееся при разложении полевого шпата называется каолинитом. Так как изверженные горные породы содержат, кроме полевого шпата, также кварц, слюду, железистые минералы и др., то при их выветривании получается смесь мельчайших частичек каолинита и более крупных частиц кварца (песка), слюды, зерен не разложившегося полевого шпата и других минералов.
Эта сложная смесь называется первичной глиной. Когда первичная глина переносится водой или воздухом, от нее отделяются песчаные частицы, что повышает содержание в ней мельчайших глинистых частиц. Однако при таком переносе глина может и загрязняться, смешиваясь с илом, пылью (в том числе с углекислым кальцием), железистыми соединениями и т. п.
Глина, отложившаяся на новом месте, называется вторичной глиной. Глина, образовавшаяся из полевого шпата или других пород, почти или вовсе не содержащая окислов железа, называется каолином и имеет после обжига белый или светло-серый цвет.
Глина — это продукт природного происхождения, образованный из полевого шпата и магматических скальных пород, который в сухом состоянии имеет мелкодисперсную структуру. По происхождению эти породы бывают континентальными, образованными на материке, и морскими - образованными на дне морей.
Глины морской группы бывают:
Континентальные глины бывают:
Виды определяется сочетанием свойств, как пластичность, спекаемость, огнеупорность, количество примесей.
Самыми распространенными являются:
Кроме глин каолинитового типа, встречаются глины, содержащие и другие силикаты.
Различают:
В обычной глине содержится значительно больше кремнезема (до 80 %) и меньше глинозема, чем в каолините. Мелкий песок в известных пределах полезная примесь; образует как бы скелет глиняной массы, препятствующий ее усадке при сушке и обжиге. Однако большое содержание песка уменьшает пластичность глины, что затрудняет формовку изделий. Такая глина называется тощей, в отличие от жирной, содержащей мало песка.
Тонко распределенный углекислый кальций и окислы железа могут содержаться в глине, применяемой для производства (обыкновенных керамических изделий, но их почти не должно быть в огнеупорных глинах, так как они значительно понижают ее огнеупорность. Крупные же зерна углекислого кальция в глинax недопустимы вообще, так как при обжиге они превращаются в известь, а затем на воздухе гасятся, расширяются, растрескиваются и разрушают изделия такие включения называются дутиком.
Глины с высоким содержанием окислов железа (иногда и марганца) окрашены в желтый, красный или бурый цвета, в зависимости от количества и вида окислов.
Глинистым веществом в составе глины принято считать очень мелкие частицы (мельче 0,005 мм). Более крупные частицы (от 3,005 до 0,15 мм) называют пылью, а частицы размером от 0,15 до 5 мм песком. Глинистые частицы отличаются от пылевидяых тем, что первые разбухают при насыщении водой, а вторые нет. Строение глинистых частиц (каолинита) в основном пластинчатое.
Для кирпичного производства пригодны глины и суглинки тяжелые и средние.
Лёссовидные глины и суглинки представляют собой разновидность глинисто-песчаных смесей высоким содержанием пылевидных частиц, в том числе углекислого кальция, кварцевых включений и окислов железа. Они широко распространены на Украине, в Казахстане и в других районах.
Для механического анализа глин т. е. определения содержания в них частиц различной крупности, обыкновенное отмучивание непригодно, так как в этом случае вместе с глиной отделяется пыль. Поэтому механический анализ глин производят в лабораториях в особых приборах, например в приборе Сабиина и др. Исследуемую глину разводят большим количеством воды (1:20), затем тщательно размешивают или кипятят для разъединения частиц, после этого дают отстояться и через определенные промежутки времени сливают воду, содержащую частицы различной крупности, или отмывают эти частицы проточной водой. Чем мельче частицы, тем медленнее они осаждаются и захватываются водой при меньшей скорости течения.
Способность глиняного теста изменять форму под давлением без образования трещин и сохранять полученную форму после того, как давление прекратится, называется пластичностью и является важнейшим свойством, позволяющим формовать из глины различные изделия.
Так как степень пластичности глин важна для производства, ее необходимо определять количественно, например, по методу проф. П. А. Земятченского. При этом глиняный образец сжимают под возрастающей нагрузкой до появления первых трещин и измеряют его деформацию с помощью прибора.Для изготовления образца глину замешивают с таким количеством воды, какое необходимо для формовки изделий. В зависимости от состава глины оно равняется 17—30% от веса последней.
Из приготовленного глиняного теста скатывают несколько шариков диаметром 4,6 см и кладут их по очереди в прибор под нагрузку, Нагрузку увеличивают до тех пор, пока шарик при сжатии не растрескается. В этот момент определяют нагрузку и величину сжатия по шкале. Пластичность глины будет тем выше, чем большую нагрузку она выдержит, не растрескиваясь,
и чем больше будет величина сжатия. Произведение нагрузки Р на величину сжатия а называется коэффициентом пластичности К.
К=Р - а кг/см.
Этот коэффициент выражает величину работы, затраченной на сжатие глины до потери ею пластичности. Высокопластичные глины имеют К не менее 3—3,5 кг • см.
При нагревании в глине происходит ряд физико-химических изменений. При высокой температуре, т. е. в процессе обжига, глина превращается в камневидный материал, не размокающий в воде. Последовательность процессов, происходящих в глине при нагревании, следующая.
Сначала испаряется свободная вода, затем удаляется вода, химически связанная каолинитом и другими минералами; попутно выгорают органические примеси, а далее из карбоната кальция, содержащегося обычно в глине, выделяется углекислый газ.
Интенсивная потеря химически связанной воды начинается с 430 и заканчивается при температуре 750°. В результате глина теряет пластичность и приобретает максимальную пористость. Вследствие нагревания до 750° каолинит переходит в безводный каолнитовый ангидрид А12Оз • 2SiO2, а нагревание выше 900° вызывает распад его на свободные окислы Аl2 Оз и SiO2; при температуре выше 1000° они вновь соединяются, но уже в других соотношениях, образуя новые силикаты алюминия (силлиманит А12Оз • SiO2 и муллит ЗА12Оз • 2SiO2).
Если глину, которая приобрела максимальную пористость, продолжать нагревать, то легкоплавкие вещества начнут плавиться и связывать всю массу. Этот процесс называется спеканием глины. Большинство глин начинает спекаться при температуре не ниже 900°.
При продолжающемся повышении температуры происходит полное спекание глины все промежутки заполняются расплавившимся материалом, однако масса еще способна выдерживать собственный вес, лишь незначительно деформируясь. При спекании глина уплотняется, и этим пользуются для получения плотных изделий.
Затем наступает размягчение, масса не выдерживает собственного веса и растекается.
Для производства плотных изделий необходимо, чтобы между температурами спекания и полного размягчения был достаточно большой интервал (не менее 100°). Такой интервал характерен для чистых каолинитовых глин; для глин же, содержащих, например, много углекислого кальция, этот интервал - значительно меньше и составляет иногда только 25°. При этом трудно следить за правильным режимом обжига.
Чистый каолинит плавится при 1780°, кварц — при 1710°. Смесь этих двух веществ, обычно содержащаяся в глине, имеет более низкую температуру размягчения; самая низкая температура размягчения (около 1580°) у смеси, состоящей из 81% кремнезема и 19% каолинита. Эту температуру и считают нижним пределом температуры размягчения огнеупорных материалов. Температуры спекания и размягчения резко понижают так называемые плавни — окись железа, окись магния, окись кальция, щелочи.
Так, например, температура размягчения глины, применяемой для приготовления кирпича и содержащей обычно 12—15% плавней, составляет всего около 1100°. Значение плавней очень велико, так как снижение температуры спекания глины позволяет сократить расход топлива при обжиге плотных изделий. Но при производстве огнеупорных изделий содержание в глине большого количества плавней недопустимо, так как размягчение произойдет слишком рано.
Температуру размягчения определяют двумя методами:
Керамические пироскопы — небольшие трехгранные пирамидки, изготовляемые из различных смесей тонкомолотых каолина, кварца, полевого шпата, мрамора, окиси железа и борной кислоты (сильный плавень)
Смеси в образцах подобраны так, чтобы получить различные температуры размягчения — от 600 до 2000 с интервалами через 20°. Пироскопы имеют номера, соответствующие 1/10 температуры размягчения; например, № 130 (ПК-130) обозначает температуру размягчения 1300°. Эти температуры служат показателем огнеупорности глины.
Температура, соответствующая тому моменту, когда пироскоп размягчится настолько, что согнется и его вершина коснется подставки, на которой он укреплен, принимается за огнеупорность. Обычно в печь ставят несколько пироскопов соседних номеров и пирамидку исследуемой глины; тот пироскоп, который будет размягчаться одновременно с образцом исследуемой глины, и укажет ее огнеупорность.
Рис. Керамические пироскопы
Глины во время сушки и обжига уменьшаются в объеме. Изменение объема при сушке называют воздушной усадкой, а при обжиге — огневой усадкой.
Воздушная усадка происходит оттого, что при испарении воды глина сжимается. В глинах, содержащих большое количество мельчайших частиц, вода поступает из внутренних частей медленнее, чем испаряется с поверхности; в результате этого поверхностный слой глины высыхает раньше, чем внутренний, и на поверхности изделия могут образоваться трещины.
Чтобы уменьшить усадку и растрескивание и ускорить сушку изделий, к глине добавляют мелкий песок и другие отощающие примеси: шлак, золу, шамот (предварительно обожженная и измельченная глина), дегидратированную при 500° глину. Эти вещества образуют в глине жесткий скелет, препятствующий ее сжатию. Сушить глиняные изделия необходимо постепенно во избежание их коробления и растрескивания.
Величина линейной воздушной усадки у разных глин колеблется от 5 до 12%. Ее определяют для каждой глины опытным путем и учитывают при выборе размеров форм для изделий, эти формы должны изготовляться с учетом воздушной и огневой усадки.
Огневая усадка достигает 1— 2%, а иногда и выше. Если же в глине содержится значительная примесь кварцевого песка, то огневой усадки может не быть, наоборот, может произойти расширение глины из-за особых свойств кварца. Огневая усадка возникает тогда, когда из глины начинает удаляться химически связанная вода, и достигает максимума при спекании глины. Жирные глины дают большую огневую усадку, чем тощие, поэтому к ним во избежание растрескивания часто добавляют более тощие глины или песок, шлак, золу, тпамот и т. п. В глине, содержащей мелкие камни и гравий, при обжиге образуются трещины, которые служат одной из причин брака кирпича. Поэтому крупные примеси в глине недопустимы.
При соединении сухой глины с водой образуется пластичная масса. В зависимости от места выработки и состава ее применяют в самых разных сферах и отраслях:
