О СТРОЕНИИ ГЛИН

В порядке обсуждения

УДК 622.361.1

И.Ф. ШЛЕГЕЛЬ, канд. техн. наук, генеральный директор Института Новых Технологий и Автоматизации промышленности строительных материалов, ООО «ИНТА-Строй» (Омск)

О строении глин

Задуматься о фактическом строении глин заставил один нехитрый эксперимент, в котором брали глину с количеством глинистых частиц 12% и часть ее размалывали на лабораторной мельнице «Пурга-лаб», разработанной в институте, до содержания фракции менее 5 мкм 50%. Затем 20% этой измельченной глины добавляли к исходной глине и тщательно перемешивали на установке «Каскад-2». Потом определяли количество глинистой фракции. По традиционным канонам количество глинистых частиц должно было увеличиться на 10%. Однако определение, проведенное методом набухания, практически не показало увеличения глинистой фракции. Почему это происходит?

Общепринято считать, что размеры частиц песчаной фракции составляют от 50 мкм до 2 мм, пылеватой — от 5 до 50 мкм, глинистой — менее 5 мкм. По трехчленной классификации Рутковского глинистой фракцией считают фракцию от 1 до 5 мкм.

Результаты вышеописанного эксперимента приводят к заключению, что в традиционных учебниках структура глины трактуется неверно.

На основании полученных в эксперименте данных можно предположить, что частицы фракции 0,1—5 мкм не являются глинистыми, а являются лишь носителями коллоидных частиц с размером 1—100 нм, которые и обеспечивают так называемые глинистые свойства (набухание). Так как количество коллоидных частиц после

Рис. 1. Микрофотография частиц каолинита, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии: 1 - «микропротуберанцы»; 2 - «облака»

Рис. 2. Модель коллоидного тела в двойном логарифмическом масштабе: 1 - микропоры; 2 - частицы размером 1 нм

помола не увеличилось, набухания не произошло, несмотря на то что количество частиц с размерами от 1 до 5 мкм увеличилось на 10%.

Тогда возникает закономерный вопрос: почему снимки микроструктур не привели к таким выводам раньше?

Во-первых, потому, что на одном снимке можно увидеть частицы с размерами, отличающимися друг от друга на 1,5—2 порядка, не более. Как невозможно на одной картинке представить дерево в полный рост и мох на нем, чтобы отчетливо были видны все детали.

Во-вторых, если внимательно посмотреть на снимок, полученный на электронном микроскопе с увеличением в 10 тыс. раз, можно все-таки разглядеть нечеткие очертания микрочастиц (рис. 1).

Эту размытость изображения можно трактовать как особенность микроснимков, но почему тогда вокруг частиц можно увидеть отдельные «микропротуберанцы», как можно объяснить «облака»?

По мнению автора, это и есть скопления коллоидных частиц — тот самый «наномох» на дереве!

При написании статьи встала задача отобразить на рисунке предполагаемую структуру глинистого вещества, где частицы отличаются в размерах на 6 порядков. Был использован двойной логарифмический масштаб:

где dср — средний размер частиц одного порядка, нм; D — размер частиц на рисунке, мм.

То есть если размер частиц отличается в десять раз, на рисунке он отличается в два раза (основание логарифма — два). Таким образом, предлагается идеализированная модель глинистого коллоидного тела (рис. 2).

Следует отметить, что размол в эксперименте проводился на мельнице «Пурга-лаб» проходного типа, которая предназначена для отработки технологических процессов, то есть материал пребывал в ней небольшое время, коллоидную фракцию она не успевала нарабатывать.

В настоящее время институтом «ИНТА-строй» разработана и изготавливается стационарная мельница «Пурга-лаб 2», которая может молоть материал длительное время и нарабатывать коллоидную фракцию. Эта мельница отличается от известных планетарных мельниц тем, что помол обеспечивается не вращательным движением стаканов, а их вибрацией, что открывает доступ к барабанам во время помола. Это в свою очередь позволит добавлять исходный продукт в процессе измельчения и получать разноразмерную структуру материала. Таким образом, эксперименты по проверке предложенной гипотезы строения глинистого вещества будут продолжены и расширены в область высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС). Ведь процесс стабилизации в технологии ВКВС, видимо, можно рассматривать как процесс обрастания «наномхом» микрочастиц.

Итак, анализ результатов экспериментов, проведенных в институте «ИНТА-Строй», позволяет предложить следующую уточненную гранулометрическую структуру глин:

— песчаная фракция от 2 мм до 50 мкм;

— пылевая фракция от 50 до 5 мкм;

— глинистая фракция от 5 до 0,1 мкм;

— коллоидная фракция от 100 до 1 нм.

Видимо, при количестве коллоидной фракции 2—3% она будет обладать 60—80% удельной поверхности. Однако это еще предстоит выяснить.

научно-технический и производственный журнал

июнь 2013