Thành phần khoáng hóa của đất sét

Meraki Center

Các loại cao lanh và đất sét khác nhau được gọi chung là vật liệu đất sét, được hình thành do phong hóa và bị cuốn trôi khỏi mỏ đá ban đầu qua nhiều kỷ nguyên địa chất, lắng đọng ở những vùng trũng thấp.

Đất sét là vật liệu đa khoáng, chứa một số khoáng sét như kaolinite, montmorillonite, hydromica với tỷ lệ khác nhau.

Dựa vào cấu trúc và thành phần hóa học, khoáng sét được chia thành các nhóm chính sau:

1. Nhóm khoáng hóa kaolinit

Cái tên Caolinit bắt nguồn từ “Kau – ling” có nghĩa là “đồi cao” trong tiếng Trung, ám chỉ tỉnh Jianxgi là địa điểm khai thác đầu tiên cho mục đích sản xuất gốm sứ.

Công thức hóa học: Al2O3.2SiO2.2H2O

Cấu trúc: 2 lớp.

Các khoáng chất khác trong nhóm bao gồm: Dickite, Nacrite, haloysite.

Thành phần hóa học: Al2O3 = 39,5%; 2SiO2 = 46,54%; H2O = 13,96%

Cấu trúc của kaolinit bao gồm một lớp tứ diện [SiO4] và một lớp bát diện [AlO6]. Hai lớp tạo thành một thể tích mở có độ dày 7,21-7,25Å và các nhóm hydroxyl được phân bố ở một bên của thể tích. Ở phần giữa của bộ có các nhóm -OH cùng với các ion oxy có nhiệm vụ liên kết hai lớp tứ diện và bát diện (Hình 1).

Hình 1. Cấu trúc hai lớp của khoáng kaolinitHình 1. Cấu trúc hai lớp của khoáng kaolinit

Tinh thể kaolinit có dạng tấm lục giác mỏng, góc giữa các cạnh là 106- 140o, kích thước tấm 0,1 – 3 µm (Hình 2). Tinh thể kaolinit lục giác chiếm phần lớn trong kaolin nguyên sinh. Trong cao lanh thứ cấp và trong đất sét giàu kaolinit, tinh thể kaolinit có hình dạng không cân đối, mép có nhiều góc cạnh bị gãy và có kích thước nhỏ hơn hình lục giác.

Hình 2. Tinh thể cao lanh quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Cao lanh hầu như không trương nở trong nước, khả năng hấp phụ ion không lớn và khả năng trao đổi ion nhỏ, tương đương 6-15 miligam/100 gam cao lanh khô. Mật độ cao lanh là 2,41 – 2,65 g/cm3.

Khoáng vật haloysite có công thức hóa học Al2O3.2SiO2.4H2O. Haloysite thường đi kèm với khoáng chất kaolinit trong cao lanh. Tinh thể halogenit có dạng hình que và hình ống với đường kính 0,05 – 0,2 µm và chiều dài 0,1 -1 µm (Hình 3).

Đôi khi các tinh thể hallysite tạo thành các tinh thể rối loạn. So với kaolinite, haloysite có đặc tính mịn hơn và khả năng hấp phụ và trao đổi ion lớn hơn. Mật độ 2 –2,2 g/cm3.

Hình 3. Tinh thể Hallysite

Cao lanh có hàm lượng khoáng chất kaolinit cao (90%) và được sử dụng trong công nghiệp gốm sứ, chủ yếu làm nguyên liệu chế tạo men. Cao lanh có hàm lượng khoáng chất kaolinit thấp hơn và được sử dụng cho sức khỏe của xương.

2. Nhóm khoáng vật Monmorillonit

Montmorillonite được phát hiện vào năm 1847 tại Montmorillon thuộc tỉnh Vienne của Pháp, nhưng nó cũng được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và có nhiều tên gọi khác nhau. Những khám phá khác bao gồm bentonite vào khoảng năm 1890 và được một nhà địa chất người Mỹ đặt tên theo Fort Benton (trong địa tầng địa chất của hệ tầng Fort Benton) ở khu vực phía đông Rock Creek (bang Wyoming).

Nhóm này bao gồm các khoáng chất montmorillonite, bentonite… Cấu trúc của các khoáng vật là ba lớp. Hiện tượng thay thế đồng hình ở nhóm khoáng vật này khá phát triển.

Công thức hóa học: Al2O3.4SiO2.H2O.nH2O.

Thành phần hóa học: Al2O3 = 28,3%; SiO2.= 66,7%; H2O = 5%

Cấu trúc khoáng vật được mô tả trên hình 4. Trong mạng lưới montmorillonite, các ion Al3+ ở lớp bát diện thường được thay thế đồng hình bằng các ion Mg2+, Ca2+, Si4+ ở lớp tứ diện được thay thế đồng hình bằng Al3+, chèn vào giữa các khối là một số lượng lớn. của cation và H2O.

Hình 4. Cấu trúc ba lớp của khoáng vật montmorillonite

Đất sét Montmorillonit có độ mịn rất cao, cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm chiếm hơn 40%, ở đất sét thông thường cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm chỉ chiếm 5 – 20%, còn ở cao lanh cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm. chỉ khoảng 0,5 – 1,5%. Tinh thể Monmorillonite không chỉ rất nhỏ và mỏng mà còn có hình dạng không rõ ràng (hình 5).

Hình 5. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của tinh thể montmorillonite

Do đặc điểm cấu trúc nên khoáng có độ dẻo cao và khả năng hấp phụ ion lớn (lên tới 150 miligam tương đương/100 gram vật liệu khô). Monmorillonite có khả năng trương nở cao trong nước. Khi khô, khoáng chất hấp thụ nước và có thể tăng thể tích lên tới 16 lần. Trọng lượng riêng của khoáng vật 2 –2,6 g/cm3.

Đất sét Montmorillonite được thêm vào hỗn hợp gốm với một lượng nhỏ để tăng độ dẻo của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi sử dụng cần chú ý đến độ co ngót và tách nước do đất sét montmorillonite gây ra.

Trầm tích Montmorillonit thường có đặc điểm là có nhiều nhóm hạt mịn nên có độ dẻo cao. Các sản phẩm được làm từ vật liệu chứa một lượng đáng kể montmorillonite có các đặc tính sau:

• Độ giãn nở thấp sau khi nhấn (
• Độ bền mộc cao
• Độ co rút sau khi sấy lớn.
• Sản phẩm nung ở nhiệt độ khoảng 1020 0C có độ co ngót từ 5 – 10% và độ xốp tương ứng dao động từ 0 – 5% (tùy theo độ co ngót sau khi nung).
• Độ bền uốn sau khi nung ở 1020 0C thay đổi khá đáng kể từ 150 – 250 Kg/cm2 tùy theo độ co ngót.

3. Nhóm khoáng vật Muscovit

Muscovite (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) là một khoáng chất nằm trong đất sét và có cấu trúc ba lớp (Hình 6). Do mica bị thủy phân liên tục và trong thời gian dài nên giữa khoáng vật phân hủy ban đầu và khoáng vật cuối cùng được hình thành là kaolinit tồn tại một loạt các hydromica trung gian trong đất sét. Cấu trúc hydromica chứa ion kali (K+) là đặc điểm quan trọng của loại khoáng sét này.

Hình 6. Cấu trúc ba lớp của khoáng muscovit

Một số loại mica được phát hiện dưới kính hiển vi điện tử bao gồm:

+ Loại mica thứ nhất có dạng tấm mỏng dài, phần cuối tấm hơi nhọn hoặc thuôn nhọn, màu sắc trong suốt. Loại này được gọi là glauconite (hình 7).

+ Loại hydromica thứ hai là hydromuscovite, ở dạng tấm mỏng hoặc dạng vảy, thường không màu (Hình 8). Hydromuscovite thường được tìm thấy nhiều nhất trong đất sét.

+ Loại mica thứ ba gọi là illit, tinh thể này có dạng hạt, vảy nằm riêng lẻ hoặc tập trung lại. Màu sắc thường xám, xanh tươi, vàng nâu (hình 9).

Hình 7. Tinh thể glauconitHình 8. Tinh thể hydromuscovitHình 9. Ảnh SEM của tinh thể Illite

Tùy thuộc vào mức độ thủy phân của khoáng chất ban đầu và mức độ thay thế dị hình, thành phần hóa học của hydromica dao động rất nhiều. Đặc biệt, hàm lượng K2O trong khoáng chất hydromica giảm (50%) xuống còn khoảng một nửa lượng K2O trong khoáng chất muscovit, trong khi hàm lượng H2O lại tăng lên.

Khoáng chất hydromica là khoáng chất chính tạo nên các loại đất sét lỏng như đất sét làm gạch ngói, hàm lượng của chúng thường đạt tới 60%.

Do khoáng có độ mịn cao (cỡ hạt tinh thể khoảng 0,01- 0,5 µm), cấu trúc ba lớp và hiện tượng thay thế đồng hình phổ biến, khả năng trương nở trong nước và khả năng hấp phụ, trao đổi ion lớn (các tính chất này mang tính chất trung gian giữa kaolinit và khoáng vật montmorillonite).

Các sản phẩm được làm từ vật liệu chứa một lượng đáng kể khoáng vật muscovit có các đặc tính sau:

• Độ giãn nở sau khi nhấn: Trung bình.
• Cường độ gỗ: Tốt
• Sản phẩm nung ở nhiệt độ khoảng 1100 0C: Có độ co ngót từ 5 – 8% và độ xốp tương ứng dao động từ 0 – 5% (tùy theo độ co ngót sau khi nung). Tuy nhiên, nếu thêm một lượng đáng kể cacbonat. (15 – 23 %), độ co ngót có thể giảm 1 – 1,2 %, độ xốp có thể giảm 22 – 15 % so với trước khi thêm vào.
• Độ bền uốn sau khi nung bị ảnh hưởng rõ ràng bởi sự có mặt của cacbonat. Khi có cacbonat cường độ uốn thấp (100 – 200 KG/cm2), khi không có cacbonat cường độ uốn > 200 KG/cm2
• Hệ số giãn nở nhiệt ở nhiệt độ 1100 0C: 180 – 225.10-7

Một cách tổng quát. Gạch làm từ vật liệu giàu khoáng chất này dễ bị vón cục.

Tham khảo: Hóa chất gốm sứ dùng cho sản xuất gạch, gốm sứ.