1.2. Основные виды структур глинистых минералов

Глинистые породы в зависимости от минералогического состава и форм поглощенной воды (связанной мономолекулярно, рыхлосвязанной, капиллярной и воды набухания) характеризуются наличием определенного типа контактов между частицами. Таким образом, зная тип структурных связей можно оценить вид этих контактов и управлять процессом формирования структуры сырца и впоследствии качеством обожженных изделий.

Глины характеризуются сложным строением, обусловленным слоистой анизотропной структурой глинообразующих минералов, электрической заряженностью глинистых частиц, возможностью поверхностной и внутрислоевой адсорбцией воды, специфичной формой межчастичных взаимодействий, высокой адсорбционной способностью [10].

В основе кристаллической структуры глинистых минералов лежит контакт тетраэдрических и октаэдрических элементов. Первый элемент образован кремнекислородным тетраэдром, состоящим из атома кремния и четырех окружающих его атомов кислорода. Отдельные тетраэдры, соединяясь друг с другом, создают непрерывную двухмерную тетраэдрическую сетку.

Другим структурным элементом глинистых минералов является октаэдр, образованный шестью атомами кислорода и гидроксильными группами. В центре октаэдра может располагаться атом алюминия, железа или магния. Отдельные октаэдры, соединяясь между собой, образуют двухмерную октаэдрическую сетку. Благодаря близости размеров тетраэдрические и октаэдрические сетки легко совмещаются друг с другом с образованием единого гетерогенного слоя. Связь между гетерогенными слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и его заряда. У некоторых глинистых минералов, например в каолините, эта связь достаточно прочная и обеспечивается взаимодействием атомов кислорода и гидроксильных групп (водородная связь) или катионами, располагающимися в межслоевом пространстве (ионно-электростатическая связь). У других минералов, типа монтмориллонита, связь между слоями менее прочная (молекулярная связь).

Для глинистых минералов типа (1:1) - каолинит, галлуазит и т. п., характерно то, что основной пакет состоит из одного кремнекислородного тетраэдрического и одного алюмокислородногидроксильного октаэдрического слоев и связь между ними осуществляется за счет молекулярных сил, а также водородных связей, энергия которых превышает энергию гидратирования поверхности межслоевого пространства. Благодаря такому расположению разноименно заряженных ионов взаимодействие притяжения между ними обусловливает относительно прочное строение кристаллической решетки каолинита со сравнительно небольшим межплоскостным расстоянием около 7,2·10^-4 мкм. Поэтому становится очевидной причина слабой способности минералов этой группы к внутрикристаллическому набуханию и диспергированию.

Отличительной особенностью минералов группы монтмориллонита (2:1) является то, что первичная структура пакета представлена двумя наружными кремнекислородными и одним промежуточным алюмокислородно-гидроксильным слоями. Связь между структурными слоями осуществляется за счет молекулярных сил и взаимодействия катионов, находящихся в межслоевом пространстве. Однако сила связи оказывается недостаточной, чтобы противостоять гидратированию межслоевого пространства, и поэтому структура монтмориллонита обладает значительным внутрикристаллическим набуханием с изменением межплоскостного пространства в весьма широких пределах (от 9,6 до 21·10^-4 мкм) [10]. Вследствие внутрикристаллического набухания межплоскостное расстояние в структуре монтмориллонита может изменяться в больших пределах в зависимости от влажности и состава межслоевого комплекса.

Кристаллическая решетка гидрослюд структурно сходна с решеткой монтмориллонита и представляет собой сочетание двух тетраэдрических наружных и одного октаэдрического внутреннего слоев. Характерной особенностью этой группы глинистых минералов является большое разнообразие изоморфных замещений. Так, в некоторых слюдах катион Аl³⁺ в октаэдрическом слое изоморфно замещается катионом Mg²⁺, а катион Si⁴⁺ в тетраэдрическом слое может замещаться катионом Аl³⁺. Возникающий в результате такого замещения избыточный отрицательный заряд компенсируется ионами K⁺, Na⁺, Ca²⁺, располагающимися между пакетами.

В зависимости от количественного преобладания того или иного глинистого минерала различают глинистые породы каолинитовые, монтмориллонитовые и гидрослюдистые.

Помимо описанных глинистых минералов в природе также широко распространены смешанно-слоистые минералы, образующиеся в результате упорядоченного или неупорядоченного чередования набухающих и не- набухающих структурных слоев (монтмориллонит - гидрослюда, монтмориллонит - хлорит). По своим свойствам смешанно-слоистые глинистые минералы занимают промежуточное положение между минералами с «жесткой» (типа каолинита) и «раздвижной» (типа монтмориллонита) кристаллической структурами.

Высокая физико-химическая активность глинистых минералов обусловлена как особенностями их кристаллического строения, так и малым размером частиц. Минералогический состав определяет форму и размер глинистых частиц [24] (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Форма и размер частиц глинистых минералов

Минерал	Форма частиц	Размер частиц
Группа каолинита
Каолинит	Гексагональные пластинки	Обычно ≈ 0,5…3 мкм
Галлуазит	Удлиненные стержни и трубки	Внешние диаметры ≈ 0,5…0,2 мкм, длина ≈ 0,1…1 мкм толщина стенок ≈ 0,02
Группа монтмориллонита
Монтморил-лонит	Нечетко оформленные, иногда гексагональные пластинки с тенденцией к агрегации	Значительно менее 1 мкм ≈ 0,1…0,3 мкм
Группа слюд
Гидрослюда, иллит	Нечеткая форма, тонкие гексоганальные хлопья	Длина ≈ 0,1…1,5 мкм ширина ≈ 0,01…0,1

Следовательно, для определения свойств и закономерностей поведения глинистых пород под влиянием различных физико-химических воздействий необходимо учитывать их микрокристаллическое строение.