Глина — разновидность мелкозернистого природного почвенного материала, содержащего глинистые минералы [1] (водные слоистые силикаты алюминия, например каолинит , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ). Глины приобретают пластичность во влажном состоянии, но могут затвердевать при обжиге . [2] [3] [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 . [5] [6]
Глина — древнейший известный керамический материал. Первобытные люди открыли полезные свойства глины и использовали ее для изготовления гончарных изделий . Некоторые из самых ранних черепков керамики датируются примерно 14 000 годом до нашей эры, [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 несущей конструкции.
Глина – очень распространенное вещество. Сланец , образовавшийся 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 размерах и минералогии. Илы , представляющие собой мелкозернистые почвы, не содержащие глинистых минералов, обычно имеют более крупный размер частиц, чем глины. Смеси песка , ила и менее 40% глины называются суглинками . Почвы с высоким содержанием набухающей глины ( экспансивная глина ), представляющей собой глинистые минералы, которые легко расширяются в объеме при поглощении воды, представляют собой серьезную проблему в гражданском строительстве . [1]
Определяющим механическим свойством глины является ее пластичность во влажном состоянии и способность затвердевать при высушивании или обжиге. Глины имеют широкий диапазон содержания воды, в пределах которого они очень пластичны: от минимального содержания воды (называемого пределом пластичности ), когда глина достаточно влажная для формования, до максимального содержания воды (называемого пределом жидкости), когда формованные глины глина достаточно сухая, чтобы держать форму. [10] Предел пластичности каолинитовой глины колеблется примерно от 36% до 40%, а предел текучести - примерно от 58% до 72%. [11] Высококачественная глина также прочна, что измеряется количеством механической работы, необходимой для раскатывания образца глины. Его прочность отражает высокую степень внутренней сплоченности. [10]
Глина имеет высокое содержание глинистых минералов, которые придают ей пластичность. Глинистые минералы представляют собой водные слоистые силикатные минералы алюминия , состоящие из ионов алюминия и кремния, связанных в крошечные тонкие пластинки путем соединения ионов кислорода и гидроксида . Эти пластины жесткие, но гибкие и во влажной глине прилипают друг к другу. Образующиеся агрегаты придают глине связность, которая делает ее пластичной. [12] В каолинитовой глине связь между пластинами обеспечивается пленкой молекул воды, которая связывает пластины вместе водородом. Связи достаточно слабы, чтобы позволить пластинам скользить друг по другу во время формования глины, 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, а пластины связываются водородом непосредственно друг с другом, так что высушенная глина становится жесткой, но все же хрупкой. Если глину снова увлажнить, она снова станет пластичной. Когда глина обжигается до стадии глины , реакция дегидратации удаляет из глины дополнительную воду, в результате чего глиняные пластины необратимо прилипают друг к другу за счет более прочной ковалентной связи , что укрепляет материал. Глинистый минерал каолинит превращается в неглинистый материал метакаолин , который остается жестким и твердым при повторном увлажнении. Дальнейший обжиг через стадии керамики и фарфора приводит к дальнейшей рекристаллизации метакаолина в еще более прочные минералы, такие как муллит . [4]
Крошечный размер и пластинчатая форма частиц глины придают глинистым минералам большую площадь поверхности. В некоторых глинистых минералах пластинки 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 глинам высокую способность к ионному обмену . [12] Химический состав глинистых минералов, включая их способность удерживать питательные катионы, такие как калий и аммоний, важен для плодородия почвы. [13]
Глина — распространенный компонент осадочных пород . Сланец образуется в основном из глины и является наиболее распространенной из осадочных пород. [9] Однако большинство глинистых отложений нечисты. Многие природные отложения включают как ил, так и глину. Глины отличаются от других мелкозернистых почв различиями в размерах и минералогии. Илы , представляющие собой мелкозернистые почвы, не содержащие глинистых минералов, обычно имеют более крупный размер частиц, чем глины. Однако существует некоторое совпадение размеров частиц и других физических свойств. Различие между илом и глиной зависит от дисциплины. Геологи и почвоведы обычно считают, что разделение происходит при размере частиц 2 мкм (глины мельче илов), седиментологи часто используют 4–5 мкм, а химики- коллоиды - 1 мкм. [2] Частицы глинистого размера и глинистые минералы — это не одно и то же, несмотря на некоторую степень совпадения их соответствующих определений. Инженеры-геотехники различают ил и глину на основе свойств пластичности почвы, измеряемых пределами Аттерберга для почв . ISO 14688 классифицирует частицы глины как частицы размером менее 2 мкм, а частицы ила как частицы большего размера. Смеси песка , ила и менее 40% глины называются суглинками .
Некоторые глинистые минералы (например, смектит ) описываются как набухающие глинистые минералы, поскольку они обладают большой способностью поглощать воду и при этом сильно увеличиваются в объеме. При высыхании они возвращают первоначальный объем. Это приводит к появлению характерных текстур, таких как грязевые трещины или текстура «попкорна», в глинистых отложениях. Почвы, содержащие набухающие глинистые минералы (такие как бентонит ), представляют собой серьезную проблему для гражданского строительства, поскольку набухающая глина может разрушить фундаменты зданий и разрушить дорожное полотно. [1]
Глинистые минералы чаще всего образуются в результате длительного химического выветривания силикатсодержащих пород. Они также могут образовываться локально в результате гидротермальной деятельности. [14] Химическое выветривание происходит в основном за счет кислотного гидролиза из-за низких концентраций углекислоты , растворенной в дождевой воде или выделяемой корнями растений. Кислота разрывает связи между алюминием и кислородом, высвобождая ионы других металлов и кремнезем (в виде геля ортокремниевой кислоты ).) [15]
Образующиеся глинистые минералы зависят от состава материнской породы и климата. Кислотное выветривание богатых полевым шпатом пород, таких как гранит , в теплом климате приводит к образованию каолина. Выветривание той же породы в щелочных условиях дает иллит . Смектит образуется в результате выветривания магматических пород в щелочных условиях, а гиббсит - в результате интенсивного выветривания других глинистых минералов. [16]
Существует два типа глинистых месторождений: первичные и вторичные. Первичные глины образуются в виде остаточных отложений в почве и остаются на месте образования. Вторичные глины — это глины, которые были перенесены из своего первоначального местоположения в результате водной эрозии и отложены в новых осадочных отложениях. [17] Вторичные месторождения глины обычно связаны с средами осадконакопления с очень низкой энергией , такими как большие озера и морские бассейны. [14]
К основным группам глин относятся каолинит , монтмориллонит - смектит и иллит . К глинистым минералам иногда также относят хлорит , вермикулит , [18] тальк и пирофиллит [19] . В этих категориях имеется около 30 различных типов «чистых» глин, но большинство «природных» месторождений глины представляют собой смеси этих разных типов вместе с другими выветрившимися 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 отложения попадают в спокойные воды бассейнов ледниковых озер вдали от береговой линии, они оседают на дно озера. Возникающая в результате сезонная слоистость сохраняется в виде равномерного распределения полосок глинистых отложений. [14]
Быстрая глина – это уникальный тип морской глины , произрастающий на ледниковых территориях Норвегии , Северной Америки , Северной Ирландии и Швеции . [22] Это очень чувствительная глина, склонная к разжижению , и она была вовлечена в несколько смертельных оползней . [23]
.JPG/1280px-Di%C3%B3sgy%C5%91r_-_2015.02.07_(145).JPG)
Глина для лепки используется в искусстве и ремеслах для лепки . Глины используются для изготовления керамики , как утилитарной, так и декоративной, а также строительных изделий, таких как кирпичи, стены и напольная плитка. Различные типы глины при использовании с разными минералами и условиями обжига используются для производства фаянса, керамики и фарфора. Первобытные люди открыли полезные свойства глины. Некоторые из самых ранних черепков керамики найдены в центральной части Хонсю , Япония . Они связаны с культурой Дзёмон , а обнаруженные отложения датируются примерно 14 000 годом до нашей эры. [7] Кастрюли, предметы искусства, посуду, курительные трубки и даже музыкальные инструменты, такие как окарина , можно вылепить из глины перед обжигом.
Древние народы Месопотамии использовали глиняные таблички в качестве первого известного средства письма. [8] Глина была выбрана из-за того, что местный материал прост в обработке и широко доступен. [24] Переписчики писали на табличках, записывая на них клинопись , используя тупую трость, называемую стилусом , которая эффективно создавала клинообразные отметки их письма. После написания глиняные таблички можно было переработать в новые таблички и при необходимости использовать повторно или обжечь, чтобы сделать из них постоянные записи. В качестве пращных боеприпасов использовались специально изготовленные глиняные шарики . [25] Глина используется во многих промышленных процессах, таких как производство бумаги , производство цемента и химическая фильтрация . [26] Бентонитовая глина широко используется в качестве связующего вещества при производстве отливок из песка . [27] [28]
Традиционное использование глины в медицине восходит к доисторическим временам. Примером может служить армянское боле , которое используется для успокоения расстройства желудка. Некоторые животные, такие как попугаи и свиньи, глотают глину по тем же причинам. [29] Каолиновая глина и аттапульгит использовались в качестве противодиарейных препаратов. [30]
.jpg/1280px-WMEE-exp2019-(113).jpg)
Глина, определяющий компонент 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. [31] От половины до двух третей населения мира, как в традиционных обществах, так и в развитых странах, по-прежнему живут или работают в зданиях, построенных из глины, часто обожженной в кирпич, как неотъемлемой части ее несущей способности. состав. [ нужна ссылка ] Также основной ингредиент во многих натуральных строительных методах, глина используется для создания самана , самана , дров , а также конструкций и строительных элементов, таких как плетень и мазня , глиняная штукатурка, глиняная штукатурка, глиняные полы, глиняные краски и керамика. строительный материал . Глину использовали в качестве раствора для кирпичных дымоходов и каменных стен, защищенных от воды.
Глина, относительно непроницаемая для воды, также используется там, где необходимы естественные уплотнения , например, в облицовке прудов, сердцевине плотин или в качестве барьера на свалках от просачивания токсичных веществ (облицовка свалки, предпочтительно в сочетании с геотекстилем ). [32] Исследования начала 21 века изучали абсорбционную способность глины в различных областях применения, таких как удаление тяжелых металлов из сточных вод и очистка воздуха. [33] [34]
