Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Современные представления о составе глинистых минералов

Современные представления о составе глинистых минералов

16.10.2017

В течение ряда лет многие исследователи, изучавшие глинистые материалы, предполагали, что последние состоят из исключительно малых частиц ограниченного числа кристаллических минералов. Лe Шателье и Ловенштейн пришли к этому выводу соответственно в 1887 и 1909 гг. Подобное представление о глинистых минералах как основе, слагающей глинистые материалы (глинисто-минеральная концепция), до 1920—1925 гг. не могло быть обосновано в связи с отсутствием соответствующих методов исследования. Таким образом, глинисто-минеральная концепция не является новой, но в полной мере она была разработана и стала общепризнанной только за последние годы.
В 1923 г. Хаддинг в Швеции и в 1924 г. Ринне в Германии независимо друг от друга впервые опубликовали данные рентгеновских диффракционных анализов глинистых минералов. Оба исследователя нашли кристаллический материал в самых тонкозернистых фракциях некоторых глин, а также установили, что все изучаемые образцы глин состоят, повидимому, из частиц одной и той же ограниченной группы минералов. В тонкозернистых фракциях они не обнаружили большого разнообразия различных типов минералов.
Тщательные исследования, проведенные почвоведами еще в начале текущего столетия, привели их к выводу о том, что почвы в основном состоят из ограниченного числа определенных соединений. Байерс, Александер и Холмс (Департамент сельского хозяйства Соединенных Штатов) считали, что основу всех почв составляет небольшое число определенных компонентов, таких, как галлуизитовая и монтмориллонитовая кислоты и их соли. Брэдфилд в своей работе по химическому исследованию тонкозернистых фракций почв из района Путнам, штат Миссури, показал, что глинистые фракции, обладающие определенной величиной зерна, сходны друг с другом, но ни одна из этих фракций не проявляет свойств смешанных гелей гидроокислов.
Примерно в 1924 г. Росс и Шеннон и др. (Геологическая служба США) начали изучение минералогического состава глин и опубликовали ряд работ по этому вопросу. Вначале были исследованы бентонитовые глины, затем разнообразные глинистые материалы, используемые в промышленности, и почвы. На основании тщательного оптического анализа при помощи поляризационного микроскопа и надежных химических данных ученые показали, что компоненты, составляющие основу глинистых материалов, имеют в большинстве случаев кристаллическую структуру и что число этих кристаллических компонентов ограничено; этим компонентам было дано название глинистых минералов. Была предложена классификация глинистых минералов. Данные Росса опровергли ошибочное представление, все еще существовавшее среди некоторых ученых, о том, что микроскопическое исследование не применимо при изучении глин. В дальнейшем Росс с сотрудниками добавили к своим исследованиям данные рентгеновского анализа, которые в общем подтвердили их более ранние предположения.
Примерно в 1926 г. Маршалл начал изучение оптических свойств глинисто-водных суспензий, помещенных в электрическое поле. Он разработал метод количественного измерения двупреломления, получающегося в результате агрегатной ориентировки кристаллических частиц под действием электрического поля. Работы Маршалла показали, что наиболее тонкозернистые фракции изучаемых им почв обладали кристаллическим строением. Он также показал, что в таких случаях двупреломление испытывают поддающиеся измерению колебания в зависимости от колебаний в характере обменных катионов. Это явление, по крайней мере в отношении почв, показывает, что обменные катионы расположены на внешней поверхности частиц, с которыми каким-то определенным образом связана анизотропия кристалла. Последнее не относится к каолинитовым глинам, так как ионный обмен в них пришлось бы связать тогда только с внешней поверхностью частиц.
Хендрикс и Фрай в 1930 г., Келли, Дор и Браун в 1931 г. опубликовали независимо друг от друга выводы, основанные главным образом на данных рентгеновского диффракционного анализа. Работы указанных авторов показали, что почвенные материалы, даже в наиболее тонкозернистых фракциях, состоят из кристаллических частиц и что число встречающихся в них кристаллических минералов ограничено.
К началу 30-х годов большинство ученых, проводивших следования глинистых материалов, признали вышеизложенные взгляды Росс и Керр в 1931 г., Энделл, Гофманн и Вилм в 1933 г. и Корренс в 1936 г. опубликовали сжатое изложение этих взглядов. В настоящее время только отдельные немногочисленные исследователи, например Маттсон, продолжают утверждать, что основой большинства глин является аморфный, исключительно изменчивый материал, который невозможно исследовать путем рентгеновского диффракционного анализа.
Согласно глинисто-минеральной концепции, глины обычно состоят из исключительно малых кристаллических частиц одного или более минералов, принадлежащих к небольшой группе, известной под названием глинистых минералов. Глинистые минералы являются в основном водными алюмосиликатами, в некоторых из них алюминий полностью или частично замещен железом или магнием. Существенными компонентами отдельных глинистых минералов являются также щелочные и щелочноземельные металлы. Некоторые глины состоят из одного глинистого минерала, но многие глины представляют собой смесь глинистых минералов. Кроме глинистых минералов, глинистые материалы могут содержать также колеблющееся количество так называемых неглинистых минералов, из которых наиболее важными являются кварц, кальцит, полевой шпат и пирит. Многие глинистые материалы содержат также органическое вещество и растворимые в воде соли.
Согласно глинисто-минеральной концепции, кристаллические глинистые минералы являются основными составными частями почти всех глин и поэтому в значительной степени обусловливают их свойства. На свойства глин влияют также неглинистые минералы, в случае если они присутствуют в достаточных количествах, и некоторые другие факторы. В первые годы, когда была признана глинисто-минеральная концепция, считали, что аморфное вещество присутствует лишь в так называемых индианитах из штата Индиана, связанных с галлуазитом. Дальнейшие исследования показали, что плохо окристаллизованный материал, который в некоторых случаях, по данным рентгеновского диффракционного анализа, действительно оказывается аморфным, встречается гораздо чаще. Однако этот компонент не характерен для глин, так как подавляющее большинство глинистых материалов обладает кристаллическим строением. Разумеется, аморфное вещество не присутствует во всех или даже в большинстве глинистых материалов, и его нельзя рассматривать как общую составную часть, обусловливающую свойства глин. Присутствие плохо окристаллизованного материала устанавливается по данным рентгеновского диффракционного анализа; наличие же совершенно аморфного вещества обычно трудно установить. Его присутствие предполагается в тех случаях, когда аналитические данные показывают неполное (менее 100%) содержание кристаллических компонентов в образце.
Начиная примерно с 1930 г., когда глинисто-минеральная концепция стала общепризнанной, интерес к изучению глинистых материалов сильно возрос, что нашло свое отражение в появлении обширной литературы в этой области. Представители таких различных областей науки, как минералогия, геология, химия, физика, агрономия и т. д., разрабатывали различные вопросы минералогии глин. Большую работу по разработке прикладной минералогии глин проделали специалисты-керамики и инженеры в многочисленных университетских, производственных и других лабораториях. Литература, посвященная изучению глинистых минералов, появляется в самых различных периодических изданиях ибо изучение глинистых минералов интересует весьма разнообразный круг исследователей.
В последующем изложении показаны наиболее существенные достижения в развитии минералогии глин. Нет возможности упомянуть здесь всех и даже большинство исследователей, которые разрабатывали отдельные вопросы минералогии глин; перечисляются лишь те из них, которые первыми прокладывали основные вехи на пути изучения глинистых минералов.
Мы уже ссылались на работы Росса с сотрудниками, которые много сделали для обоснования глинисто-минеральной концепции. В результате исследований Росса и Керра по каолиниту и галлуазиту, а затем работы Росса и Хендрикса по монтмориллониту были получены наиболее существенные данные о свойствах этих глинистых минералов, важные при их определении в глинистых материалах. Хендрикс с сотрудниками (Департамент сельского хозяйства Соединенных Штатов) опубликовали ряд ценных статей о структурах и физических свойствах глинистых минералов. Необходимо отметить работы Хендрикса по исследованию катионного обмена, реакций между органическими ионами и глинистыми минералами, по изучению гидратационных характеристик некоторых глинистых минералов и природы воды, адсорбированной на поверхности частиц глинистых минералов.
Начиная примерно с 1930 г. Келли с сотрудниками (Калифорнийский университет) работали над выяснением характера распределения глинистых минералов в различных видах почв, а также условий почвообразования, при которых образуются различные глинистые минералы и при которых они устойчивы. Дженни, один из сотрудников Келли, внес существенный вклад в представление о катионном обмене; другой сотрудник Келли, Баршад, недавно опубликовал ценные данные о таких глинистых минералах, как вермикулит и хлорит.
Грим, Брэдли и их сотрудники (Геологическая служба штата Иллинойс и Иллинойсский университет) с 1931 г. начали исследование глинистых минералов группы иллита, а также минералогического состава многих глин и глинистых сланцев. Особое внимание было обращено на связь минералогического состава глинистых материалов с пластичностью, огнеупорностью, механическим сопротивлением и другими свойствами, которые определяют возможность их использования в керамической промышленности как грунтов, при бурении на нефть и в других областях производства. Кроме того разрабатывался дифференциальный термический анализ в применении к исследованию глинистых материалов и изучался состав современных морских осадков. Брэдли определил структуру аттапульгита, что впервые дало возможность правильно подойти к анализу структуры ряда волокнистых минералов.
Классическое исследование структуры слоистых силикатов, выполненное Паулингом, позволило уточнить структуру слоистых глинистых минералов. Следуя оригинальным идеям Паулинга, Грюнер вывел структуру каолинита и вермикулита. Представления о структуре вермикулита дали возможность понять природу смешанно-слоистых глинистых минералов. Позже Хендрикс и Теллер разработали теорию диффракции рентгеновских лучей в таких смешанно-слоистых структурах, что позволило более детально их исследовать.
Исследования Гизекинга дали новые сведения об адсорбции органических ионов монтмориллонитом и их влиянии на структуру этого минерала. Как показал Брэдли, некоторые неионные полярные органические молекулы также обладают способностью адсорбироваться на монтмориллоните. Он изучил природу связи между такими молекулами и поверхностью глинистых минералов. Жордан в ряде весьма интересных и важных работ показал, что возможна многообразная адсорбция органических молекул на монтмориллоните; он описал монтмориллонит-органические комплексы, которые образуют гели в органических жидкостях.
Группа сотрудников Пенсильванского государственного колледжа под руководством Генри и Бейтса провела исследования в области минералогии глин. За последние годы Бейтс внес особенно много нового в наше представление о минералах группы галлуазита.
В Германии с 1931 г. начинается исследование глинистых минералов. Гофманн, Энделл и Вилм (Берлинский политехнический институт) изучали структуру монтмориллонита и предложили схему его строения, которая до настоящего времени не потеряла своего значения. Эти же ученые провели исследования многих глин Германии. Они одни из первых выявили связь между свойствами отдельных глинистых минералов и более общими (керамическими и другими) свойствами самих глин.
Корренс с сотрудниками (Ростокский университет) опубликовали ценные данные о рентгеновских, оптических и химических особенностях различных глинистых минералов. Мемель первым отчетливо выявил наличие двух модификаций галлуазита и показал взаимную связь между ними. Эти же авторы обнаружили что показатели преломления некоторых глинистых минералов могут колебаться в зависимости от природы жидкости, используемой для их измерения. Корренс одним из первых исследовал при помощи новых аналитических методов современные морские осадки, собранные экспедицией на «Метеоре».
Около 1933 г. в Ганновере (Германия) Нолль приступил к лабораторному синтезу глинистых минералов и получил ценные данные, до сих пор не утратившие своего значения.
В начале 30-х гг. в Голландии Эдельман с сотрудниками (Сельскохозяйственный институт, Вагенинген) приступили к разработке некоторых вопросов минералогии глин. Они выдвинули новое представление о структуре монтмориллонита и галлуазита, несколько отличное от представлений Гофманна, Энделла и Вилма, а также определили минералогический состав многих типов почв.
В 1927 г. в Париже Орсел первый применил более совершенный дифференциальный термический метод исследования глинистых минералов; широкое использование этого метода стало возможным именно благодаря работам Орсела. Энэн и Кайер и частично Орсел провели разнообразные исследования в области минералогии глин. Особенно много они сделали для изучения глинистых минералов группы сепиолита-палыгорскита. Другие французские исследователи, в частности Лоншамбон и Де Лаппаран, также получили ценные данные, касающиеся этой группы глинистых минералов.
Другая группа французских исследователей во главе с Мерингом (Национальная химическая лаборатория в Париже) опубликовала новые важные данные по минералогии глин. Meринг применил рентгеновский анализ к исследованию межслойных смесей глинистых минералов, углубив тем самым более ранние исследования Хендрикса и Теллера. Меринг также получил новые данные по гидратации и каталитической активности монтмориллонита. Сотрудники Меринга при помощи электронного микроскопа провели исследование текстуры глинистых минералов, а также их адсорбционной способности.
Среди первых исследователей глинистых минералов в Англии были Нагельшмидт и Бреммел. Нагельшмидт опубликовал ряд работ по минералогическому анализу многих типов почв и одним из первых высказал предположение, что некоторые глинистые минералы имеют вытянутую волокнистую форму. Бреммел проделал особенно большую работу по изучению глинистых минералов группы иллита и по исследованию возможных колебаний состава некоторых других глинистых минералов.
Позднее в Англии интерес к изучению минералогии глин еще более возрос. Мак-Эван (Ротемстедская сельскохозяйственная экспериментальная станция) детально изучил характер химического взаимодействия глинистых минералов с органическими веществами, произвел анализы ряда почв, изучил структуру ряда глинистых минералов, а также внес усовершенствования в технику их рентгеновского исследования Бриндли (Лидский университет, Англия) исследовал глинистые минералы группы каолинита и показал возможные колебания в степени окристаллизованности этих минералов. Уолкер и Макензи (Макольский сельскохозяйственный исследовательский институт в Абердине, Шотландия) изучили состав почв Шотландии и расширили наши представления о биотитоподобных и вермикулитоподобных глинистых минералах.
В России значительные исследования глинистых минералов были осуществлены Белянкиным, Седлецким и другими. К сожалению, многие работы русских исследователей были недоступны автору, и в связи с этим их значение не может быть здесь должным образом оценено.
Большие заслуги в области минералогии глин принадлежат также ученым некоторых других стран. Среди них следует отметить работы Форслинда (Швеция), Хоскинга и других (Австралия), Мукерджи, Чаттерджи (Индия), Галлителли (Италия) и Хойоса (Испания).