stringtranslate.com

Глина

Скалы Гей-Хед в Мартас-Винъярде почти полностью состоят из глины.
Четвертичное глиняное месторождение в Эстонии , образовавшееся около 400 000 лет назад .

Глина — это тип мелкозернистого природного почвенного материала, содержащего глинистые минералы [1] (водные алюминиевые филлосиликаты, например, каолинит , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ). Большинство чистых глинистых минералов имеют белый или светлый цвет, но природные глины имеют различные цвета из-за примесей, например, красноватый или коричневатый цвет из-за небольшого количества оксида железа . [2] [3]

Глина становится пластичной во влажном состоянии, но может затвердевать при обжиге . [4] [5] [6] Глина — самый старый известный керамический материал. Доисторические люди открыли полезные свойства глины и использовали ее для изготовления керамики . Некоторые из самых ранних керамических черепков датируются примерно 14 000 годом до н. э., [7] а глиняные таблички были первым известным средством письма. [8] Глина используется во многих современных промышленных процессах, таких как производство бумаги , производство цемента и химическая фильтрация . От половины до двух третей населения мира живут или работают в зданиях, построенных из глины, часто обожженной в кирпич, как неотъемлемой части ее несущей конструкции.

Глина является очень распространенным веществом. Сланец , образованный в основном из глины, является наиболее распространенной осадочной породой. [9] Хотя многие природные отложения включают как ил, так и глину, глины отличаются от других мелкозернистых почв различиями в размере и минералогии. Илы , которые представляют собой мелкозернистые почвы, не включающие глинистые минералы, как правило, имеют более крупные размеры частиц, чем глины. Смеси песка , ила и менее 40% глины называются суглинками . Почвы с высоким содержанием набухающих глин ( расширяющаяся глина ), которые представляют собой глинистые минералы, которые легко увеличиваются в объеме при поглощении воды, представляют собой серьезную проблему в гражданском строительстве . [1]

Характеристики

Электронная микрофотография смектитовой глины, увеличенная в 23 500 раз.

Определяющим механическим свойством глины является ее пластичность во влажном состоянии и ее способность затвердевать при высыхании или обжиге. Глины показывают широкий диапазон содержания воды, в пределах которого они являются высокопластичными, от минимального содержания воды (называемого пределом пластичности ), когда глина достаточно влажная, чтобы формоваться, до максимального содержания воды (называемого пределом текучести), когда формованная глина достаточно сухая, чтобы сохранять свою форму. [10] Предел пластичности каолинитовой глины колеблется от примерно 36% до 40%, а ее предел текучести колеблется от примерно 58% до 72%. [11] Высококачественная глина также является жесткой, что измеряется количеством механической работы, необходимой для раскатывания образца глины в плоскую форму. Ее жесткость отражает высокую степень внутренней когезии. [10]

Глина имеет высокое содержание глинистых минералов, которые придают ей пластичность. Глинистые минералы представляют собой водные алюминиевые филлосиликатные минералы , состоящие из ионов алюминия и кремния, связанных в крошечные тонкие пластины путем соединения ионов кислорода и гидроксида . Эти пластины прочные, но гибкие, и во влажной глине они сцепляются друг с другом. Полученные агрегаты придают глине сцепление, которое делает ее пластичной. [12] В каолинитовой глине связь между пластинами обеспечивается пленкой молекул воды, которые водородом связывают пластины вместе. Связи достаточно слабы, чтобы позволить пластинам скользить друг мимо друга, когда глина формуется, но достаточно прочны, чтобы удерживать пластины на месте и позволять формованной глине сохранять свою форму после формования. Когда глина высыхает, большая часть молекул воды удаляется, и пластины водородом связываются непосредственно друг с другом, так что высушенная глина становится жесткой, но все еще хрупкой. Если глину снова увлажнить, она снова станет пластичной. Когда глина обжигается до стадии глиняной посуды , реакция дегидратации удаляет из глины дополнительную воду, заставляя глиняные пластины необратимо сцепляться друг с другом посредством более прочной ковалентной связи , что укрепляет материал. Глинистый минерал каолинит трансформируется в неглиняный материал, метакаолин , который остается жестким и твердым при повторном увлажнении. Дальнейший обжиг на стадиях керамической посуды и фарфора еще больше перекристаллизовывает метакаолин в еще более прочные минералы, такие как муллит . [6]

Крошечный размер и пластинчатая форма частиц глины дает глинистым минералам большую площадь поверхности. В некоторых глинистых минералах пластины несут отрицательный электрический заряд, который уравновешивается окружающим слоем положительных ионов ( катионов ), таких как натрий, калий или кальций. Если глину смешать с раствором, содержащим другие катионы, они могут поменяться местами с катионами в слое вокруг частиц глины, что придает глине высокую способность к ионному обмену . [12] Химия глинистых минералов, включая их способность удерживать катионы питательных веществ, такие как калий и аммоний, важна для плодородия почвы. [13]

Глина является распространенным компонентом осадочных пород . Сланец в основном образуется из глины и является наиболее распространенной из осадочных пород. [9] Однако большинство глинистых отложений являются нечистыми. Многие природные отложения включают как ил, так и глину. Глины отличаются от других мелкозернистых почв различиями в размере и минералогии. Илы , которые представляют собой мелкозернистые почвы, не содержащие глинистых минералов, как правило, имеют более крупные размеры частиц, чем глины. Однако существует некоторое совпадение в размере частиц и других физических свойствах. Различие между илом и глиной варьируется в зависимости от дисциплины. Геологи и почвоведы обычно считают, что разделение происходит при размере частиц 2 мкм (глины мельче, чем илы), седиментологи часто используют 4–5 мкм, а коллоидные химики используют 1 мкм. [4] Частицы размером с глину и глинистые минералы не являются одним и тем же, несмотря на некоторую степень совпадения в их соответствующих определениях. Инженеры-геотехники различают ил и глину на основе пластических свойств почвы, измеряемых пределами Аттерберга почвы . ISO 14688 классифицирует частицы глины как имеющие размер менее 2 мкм, а частицы ила — как имеющие больший размер. Смеси песка , ила и менее 40% глины называются суглинками .

Некоторые глинистые минералы (например, смектит ) описываются как разбухающие глинистые минералы, потому что они обладают большой способностью впитывать воду, и при этом значительно увеличиваются в объеме. При высыхании они сжимаются до своего первоначального объема. Это создает характерные текстуры, такие как грязевые трещины или «попкорновая» текстура в глинистых отложениях. Почвы, содержащие разбухающие глинистые минералы (например, бентонит ), представляют собой значительную проблему для гражданского строительства, потому что разбухающая глина может разрушить фундаменты зданий и разрушить дорожное полотно. [1]

Формирование

Итальянские и афроамериканские шахтеры, добывающие глину, в шахте, 1910 г.

Глинистые минералы чаще всего образуются в результате длительного химического выветривания силикатсодержащих пород. Они также могут образовываться локально в результате гидротермальной активности. [14] Химическое выветривание происходит в основном за счет кислотного гидролиза из-за низких концентраций угольной кислоты , растворенной в дождевой воде или выделяемой корнями растений. Кислота разрушает связи между алюминием и кислородом, высвобождая ионы других металлов и кремний (в виде геля ортокремниевой кислоты ).) [15]

Образующиеся глинистые минералы зависят от состава исходной породы и климата. Кислотное выветривание породы, богатой полевым шпатом , такой как гранит , в теплом климате, как правило, приводит к образованию каолина. Выветривание той же породы в щелочных условиях приводит к образованию иллита . Смектит образуется при выветривании магматической породы в щелочных условиях, тогда как гиббсит образуется при интенсивном выветривании других глинистых минералов. [16]

Существует два типа глинистых отложений: первичные и вторичные. Первичные глины образуются как остаточные отложения в почве и остаются на месте образования. Вторичные глины — это глины, которые были перенесены из своего первоначального местоположения водной эрозией и отложились в новом осадочном отложении. [17] Вторичные глинистые отложения обычно связаны с очень низкоэнергетическими осадочными средами, такими как крупные озера и морские бассейны. [14]

Разновидности

Основные группы глин включают каолинит , монтмориллонит - смектит и иллит . Хлорит , вермикулит , [18] тальк и пирофиллит [19] иногда также классифицируются как глинистые минералы. Существует около 30 различных типов «чистых» глин в этих категориях, но большинство «природных» глинистых отложений представляют собой смеси этих различных типов вместе с другими выветренными минералами. [20] Глинистые минералы в глинах легче всего идентифицировать с помощью рентгеновской дифракции, а не химических или физических тестов. [21]

Варва (или ленточная глина ) — это глина с видимыми годовыми слоями, которые образуются в результате сезонного отложения этих слоев и характеризуются различиями в эрозии и содержании органических веществ. Этот тип отложений распространен в бывших ледниковых озерах . Когда мелкие осадки попадают в спокойные воды этих ледниковых озерных бассейнов вдали от береговой линии, они оседают на дне озера. Полученная сезонная слоистость сохраняется в равномерном распределении полосчатых глинистых осадков. [14]

Быстротекучая глина — уникальный тип морской глины, произрастающей на ледниковых территориях Норвегии , Северной Америки , Северной Ирландии и Швеции . [22] Это очень чувствительная глина, склонная к разжижению , и она была вовлечена в несколько смертоносных оползней . [23]

Использует

Слои глины на строительной площадке в Окленде , Новая Зеландия. Сухая глина обычно намного более стабильна, чем песок в раскопках.
Пробка для бутылки XIV века из обожженной глины.

Формовочная глина используется в искусстве и ремесле для лепки . Глина используется для изготовления керамики , как утилитарной, так и декоративной, а также строительных изделий, таких как кирпичи, стены и напольная плитка. Различные виды глины, при использовании с различными минералами и условиями обжига, используются для производства глиняной посуды, керамической посуды и фарфора. Доисторические люди открыли полезные свойства глины. Некоторые из самых ранних найденных керамических черепков находятся в центральной части Хонсю , Япония . Они связаны с культурой Дзёмон , а найденные отложения датируются примерно 14 000 г. до н. э. [7] Кастрюли, предметы искусства, посуда, курительные трубки и даже музыкальные инструменты, такие как окарина, могут быть сформированы из глины перед обжигом.

Древние народы Месопотамии приняли глиняные таблички в качестве первого известного средства письма. [8] Глина была выбрана из-за того, что с местным материалом было легко работать, и он был широко доступен. [24] Писцы писали на табличках, нанося на них надписи шрифтом, известным как клинопись , используя тупой тростник , называемый стилусом , который эффективно создавал клиновидные отметки их письма. После того, как на них писали, глиняные таблички можно было переработать в новые таблички и использовать повторно при необходимости или обжечь, чтобы сделать их постоянными записями. Специально изготовленные глиняные шарики использовались в качестве боеприпасов для пращи . [25] Глина используется во многих промышленных процессах, таких как изготовление бумаги , производство цемента и химическая фильтрация . [26] Бентонитовая глина широко используется в качестве связующего вещества для форм при производстве литья в песчаные формы . [27] [28]

Глиняная ванна возле озера Ахеме в Бенине

Материалы

Глина является распространенным наполнителем, используемым в полимерных нанокомпозитах . Она может снизить стоимость композита, а также придать измененное поведение: повышенную жесткость , пониженную проницаемость , пониженную электропроводность и т. д. [29]

Лекарство

Традиционное использование глины в качестве лекарства восходит к доисторическим временам. Примером может служить армянский боле , который используется для успокоения расстройства желудка. Некоторые животные, такие как попугаи и свиньи, глотают глину по аналогичным причинам. [30] Каолиновая глина и аттапульгит использовались в качестве противодиарейных лекарств. [31]

Строительство

Глиняное здание в Южной Эстонии

Глина как определяющий ингредиент суглинка является одним из старейших строительных материалов на Земле , среди других древних, встречающихся в природе геологических материалов, таких как камень и органические материалы, такие как дерево. [32] От половины до двух третей населения мира, как в традиционных обществах, так и в развитых странах, все еще живут или работают в зданиях, построенных из глины, часто обожженной в кирпич, как неотъемлемой части их несущей конструкции. [ требуется ссылка ] Также являясь основным ингредиентом во многих естественных строительных технологиях, глина используется для создания самана , самана , дровяной древесины , а также конструкций и строительных элементов, таких как плетень и мазанка , глиняная штукатурка, глиняный обмазочный материал, глиняные полы и глиняные краски и керамический строительный материал . Глина использовалась в качестве раствора в кирпичных дымоходах и каменных стенах, где они были защищены от воды.

Глина, относительно непроницаемая для воды, также используется там, где необходимы естественные уплотнения , например, в облицовке прудов, сердцевинах плотин или в качестве барьера на свалках против токсичных просачиваний (облицовка свалки, предпочтительно в сочетании с геотекстилем ). [33] Исследования, проведенные в начале 21-го века, изучали абсорбционные способности глины в различных приложениях, таких как удаление тяжелых металлов из сточных вод и очистка воздуха. [34] [35]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ abc Олив и др. 1989.
  2. ^ Кляйн и Херлбат 1993, стр. 512–514.
  3. ↑ Нессе 2000, стр. 252–257.
  4. ^ ab Guggenheim & Martin 1995, стр. 255–256.
  5. ^ Центр изучения науки 2010.
  6. ^ ab Breuer 2012.
  7. ^ ab Scarre 2005, стр. 238.
  8. ^ Эберт 2011, стр. 64.
  9. ^ ab Boggs 2006, стр. 140.
  10. ^ ab Морено-Марото и Алонсо-Аскарате 2018.
  11. ↑ Уайт 1949.
  12. ^ ab Bergaya, Theng & Lagaly 2006, стр. 1–18.
  13. ^ Ходжес 2010.
  14. ^ abc Фоли 1999.
  15. ^ Лидер 2011, стр. 5–11.
  16. ^ Лидер 2011, стр. 10–11.
  17. ^ Мюррей 2002.
  18. ^ Нессе 2000, стр. 253.
  19. ^ Кляйн и Херлбат 1993, стр. 514–515.
  20. ^ Кляйн и Херлбат 1993, стр. 512.
  21. ^ Нессе 2000, стр. 256.
  22. ^ Ранка и др. 2004.
  23. ^ Министерство природных ресурсов Канады, 2005.
  24. ^ "British Library". www.bl.uk . Архивировано из оригинала 12 сентября 2022 г. Получено 9 мая 2023 г.
  25. ^ Форузан и др. 2012.
  26. ^ Нессе 2000, стр. 257.
  27. ^ Бойлу 2011.
  28. ^ Эйзенхур и Браун 2009.
  29. ^ Котал, М.; Бхоумик, АК (2015). «Полимерные нанокомпозиты из модифицированных глин: последние достижения и проблемы». Progress in Polymer Science . 51 : 127–187. doi :10.1016/j.progpolymsci.2015.10.001.
  30. ^ Даймонд 1999.
  31. ^ Даду и др. 2015.
  32. ^ Мрачный 2016.
  33. ^ Кочкар, Акгюн и Актюрк 2005.
  34. ^ Гарсиа-Санчес, Альварес-Аюсо и Родригес-Мартин 2002.
  35. ^ Черчман и др. 2006.

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите значение слова «глина» в Викисловаре, бесплатном словаре.
На Викискладе есть медиафайлы по теме Клей .
В Wikisource есть текст статьи « Глина » из Британской энциклопедии 1911 года .
В Викицитатнике есть цитаты, связанные с Клэем .