1.1. Формирование глинистых минералов и пород в естественных условиях
Производство строительных материалов - это процесс накопления энергии в сырье, а затем переход количества в качество – синтез материала. Накопление энергии может осуществляться как за счет энергии геологических процессов, так и за счет энергии, вырабатываемой в результате производственной деятельности человека.
В процессе эволюции горные породы, приспосабливаясь к изменяющимся условиям существования, проходят ряд стадий [17]:
-изменение текстуры и структуры породы, сопровождающееся образова нием дефектов кристаллических решеток минералов;
-разрушение кристаллических решеток минералов;
-синтез новых минералов;
-образование новых горных пород.
В результате этого, в зависимости от интенсивности и направленности геологических процессов, можно найти необходимое сырье в "законсервированном" виде на определенной стадии его развития.
Для керамических материалов (обжиговых) предпочтительным является сырье, образовавшееся при выветривании и седиментогенезе [18]. К данной группе относятся все глинистые минералы. Они являются вторичными геологическими образованиями, входят в состав осадочно-метаморфических пород и относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов. Свойства глин определяются главным образом их химическим составом и кристаллической структурой, а также природой и количеством сопутствующих минералов.
В предложенном Фридрексоном [10] генезисе глинообразующих минералов отмечено, что многообразие форм минералов обусловлено геологическими условиями их образования и возможностью последовательных превращений одних форм в другие (рис. 1.1).
На рис. 1.1 показано, что минералогический состав глин зависит от оснóвности породообразующих минералов и растворов солей в дренажных водах, но определяющим является химический состав материнской породы [10].
МАТЕРИНСКАЯ ПОРОДА
Mg2+, Ca 2+, Fe2+ K+ , Na+, Ca2+, Fe3+
Окисление и выщелачивание
Окисление и выщелачивание
. Восстановление
или окисление и . выщелачивание
Восстановление и
Выщелачивание +К выщелачивание
.
Выщелачивание + Mg +
Выщелачивание +K+
Рис. 1.1. Генезис глин по Фридрексону
Материнская кристаллическая порода (граниты, гнейсы) обладает пределом прочности при сжатии более 100 МПа и близкой к нулю пористостью. Контакты между кристаллами осуществляются по всей их поверхности, для них характерны связи первичной валентности, преимущественно ионные, структура породы типично кристаллическая. Снижение прочности исходной породы в процессе поверхностного химического разложения (каолинизации) происходит несколькими путями [19]:
ослабление составных частей породы вследствие превращения зерен полевого шпата, с очень прочной ионной связью, в слабые глинистые минералы со слоистой структурой кристаллической решетки и водородной либо катионной связью между слоями;
значительное уменьшение плотности породы вследствие интенсивного процесса выноса катионов и кремниевой кислоты, в результате чего порода становится пористой ( П > 40 %), а концентрация частиц в единице объема породы уменьшается. Следовательно, уменьшается и общая площадь межчастичных контактов;
ослабление связей между частицами, как вследствие уменьшения количества контактов, так вследствие перехода межчастичных связей первичной валентности в малопрочные связи вторичной валентности.
Следовательно, прочность исходной породы снижается в результате изменения ее микроструктуры (образование слоистого каркаса), уменьшения общей площади межчастичных контактов и образования малопрочных связей вторичной валентности [20].
В процессе выветривания показатель pH внешней среды особенно сильно влияет на генезис глинистых минералов. Так, каолинит образуется преимущественно в кислой среде. Кроме того, каолиниты и гидрослюды могут образовываться и в нейтральных условиях при выветривании средних и кислых горных пород [21], а при выветривании основных пород – монтмориллонитовые глины. Это подтверждается тем, что щелочные полевые шпаты имеют тенденцию превращаться в каолинит; а ферромагнезиальные минералы, кальциевые полевые шпаты, вулканические пеплы обычно переходят в монтмориллонит [10]. Монтмориллонит образуется в нейтральной и слабощелочной среде. Монтмориллонит структурно связан с иллитом и хлоритом и легко превращается в эти минералы и является термодинамически неустойчивым.
В результате указанных процессов в структуру каолинита не входят никакие элементы кроме кремния и алюминия, в то время как в структуру монтмориллонита, иллита и хлорита всегда входят и другие элементы, например железо и магний.
При значительном количестве влаги и более низком pH при прочих одинаковых условиях первичные минералы скорее освобождаются от своих оснований, связывающих тетраэдрические и октаэдрические слои. Тогда процесс идет в сторону появления кислых глин и свободных полуторных оксидов; в условиях пониженной pH и при наличии более насыщенных растворов SiO2 вынос кремнезема замедляется, и процесс разложения ослабевает, и происходит образование основных глин [22].
В результате кислая среда приводит к выщелачиванию катионов Ca2+ и Mg2+ и образованию каолиновых глин, а щелочная среда способствует образованию монтмориллонитов.
Процесс формирования структуры глинистых минералов в естественных условиях стабилизируется при образовании каолинито-гидрослюдистых и каолинитовых глин. С позиции термодинамики [10] образовавшиеся минералы или комплексы минералов стабильны тогда, когда они обладают наименьшей свободной поверхностной энергией при нормальных физических и химических условиях.
Следует отметить, что в дальнейшем метаморфическое преобразование глинистых минералов в недрах земной коры происходит под влиянием высоких температур и давления, а также химически активных веществ [23].
На основании выполненного анализа генезиса глинистых минералов можно заключить, что определяющим в формировании минералогического состава глин в процессе выветривания является взаимодействие их с водой и растворами солей. При этом свойства глинистых минералов зависят от строения их кристаллической решетки, способности к ионному обмену и адсорбции дисперсионной среды воды.