Thành Phần Khoáng Hóa Của đất Sét

Các loại cao lanh và đất sét khác nhau được gọi chung là nguyên liệu sét, chúng được hình thành do quá trình phong hóa và bị rửa trôi khỏi mỏ đá gốc trong suốt nhiều kỷ nguyên địa chất, lắng đọng lại ở những vùng trũng.

Đất sét là loại nguyên liệu đa khoáng, có chứa một số khoáng sét như caolinit, monmorilonit, thủy mica theo những tỷ lệ khác nhau.

Dựa theo cấu trúc và thành phần hóa học mà các khoáng sét được phân thành các nhóm chính sau đây:

1. Nhóm khoáng hóa caolinit

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

Công thức hoá học : Al2O3.2SiO2.2H2O

Cấu trúc:  2 lớp.

Các khoáng khác trong nhóm gồm : dickit, nacrit, haloyzit.

Thành phần hóa học : Al2O3 = 39.5%;   2SiO2 =  46.54%; H2O = 13.96%

Cấu trúc của caolinit gồm một lớp các tứ diện [SiO4] và một lớp gồm các bát diện [AlO6]. Hai lớp tạo nên một tập hở với chiều dày 7,21-7,25Å và các nhóm hydroxyl phân bố về một phía của tập. Ở phần giữa của tập có các nhóm -OH cùng với các ion oxy làm nhiệm vụ liên kết hai lớp tứ diện và bát diện (hình 1)

Tinh thể caolinit có dạng tấm mỏng lục giác, góc giữa các cạnh 106- 140o, kích thước tấm 0,1 – 3 µm (hình 2). Tinh thể caolinit dạng lục giác chiếm phần lớn trong các loại cao lanh nguyên sinh. Trong cao lanh thứ sinh và trong các loại đất sét giàu caolinit, tinh thể caolinit có hình dạng không cân đối, các rìa góc bị sứt vỡ và kích thước nhỏ hơn loại lục giác.

Cao lanh hầu như không trương nở trong nước, khả năng hấp phụ ion không lớn và dung lượng trao đổi ion nhỏ, 6-15 mili đương lượng gam/100 gram cao lanh khô. Khối lượng riêng của cao lanh 2,41 – 2,65 g/cm3.

Khoáng haloyzit có công thức hoá học Al2O3.2SiO2.4H2O. Haloyzit thường đi kèm khoáng caolinit trong cao lanh. Tinh thể haloyzit có dạng hình que, hình ống với đường kính 0,05 – 0,2 µm và chiều dài 0,1 -1 µm (hình 3).

Đôi khi các tinh thể haloyzit tạo nên các kết thể lộn xộn. So với caolinit, haloyzit có độ mịn và khả năng hấp phụ, trao đổi ion lớn hơn. Khối lượng riêng 2 –2,2 g/cm3.

Cao lanh có hàm lượng khoáng caonilit cao (90%) được dùng trong ngành sản xuất gốm sứ, chúng chủ yếu dùng để làm nguyên liệu trong bài phối liệu men. Cao lanh có hàm lượng khoáng caonilit thấp hơn được dùng cho xương.

2. Nhóm khoáng monmorilonit

Montmorillonit được phát hiện năm 1847 tại Montmorillon thuộc    tỉnh Vienne của Pháp, nhưng nó cũng được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và có các tên gọi khác nhau. Các phát hiện khác còn bao gồm cả bentonit vào khoảng năm 1890 và được một nhà địa chất Hoa Kỳ đặt tên theo Fort Benton (trong địa tầng địa chất thành hệ Fort Benton) ở miền đông khu vực Rock Creek (bang Wyoming).

Nhóm này gồm các khoáng monmorilonit, bentonite… Cấu trúc các khoáng thuộc loại ba lớp. Hiện tượng thay thế đồng hình trong nhóm khoáng này khá phát triển.

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

Thành phần hóa học : Al2O3 = 28.3%;  SiO2.= 66.7%;  H2O = 5%

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

Đất sét monmorilonit có độ mịn rất cao, cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm chiếm hơn 40%, trong đất sét thường cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm chỉ chiếm 5 – 20%, còn trong caolanh cỡ hạt nhỏ hơn 0,06 µm chỉ khoảng 0,5 – 1,5%. Các tinh thể monmorilonit không những rất bé và mỏng mà còn có hình dạng không rõ nét (hình5).

Do đặc điểm cấu trúc của mình mà khoáng có độ dẻo cao, dung lượng hấp phụ ion lớn (đến 150 mili đương lượng gam/100 gam nguyên liệu khô). Monmorilonit có độ trương nở trong nước lớn, khi khô khoáng hút nước có thể tăng thể tích đến 16 lần. Khối lượng riêng của khoáng 2 –2,6 g/cm3.

Đất sét monmorilonit được đưa vào phối liệu gốm sứ với một lượng nhỏ để tăng độ dẻo cho phối liệu, tuy nhiên khi sử dụng cần chú ý đến sự co ngót, tách nước do đất sét monmorilonit gây ra.

Các mỏ trầm tích montmorilonit thường có đặc điểm là sự có mặt của khá nhiều các nhóm hạt mịn nên có tính dẻo cao. Các sản phẩm làm từ nguyên liệu chứa đáng kể montmorilonit có các đặc tính sau:

• Độ giãn nở sau khi ép thấp (<0.5 %).
• Cường độ mộc cao
• Độ co sau khi sấy lớn.
• Các sản phẩm nung ở nhiệt độ khoảng 1020 0C có độ co ngót 5 – 10 % , độ xốp tương ứng dao động từ 0 – 5% ( phụ thuộc vào độ co ngót sau nung )
• Cường độ uốn sau nung ở 1020 0C thay đổi khá lớn từ 150 – 250 Kg/cm2 tùy thuộc vào độ co ngót

3. Nhóm khoáng muscovite

Muscovit (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) là loại khoáng nằm trong đất sét và có cấu trúc ba lớp (hình 6). Do mica bị thuỷ phân liên tục và lâu dài nên giữa khoáng phân huỷ ban đầu và khoáng tạo thành cuối cùng là caolinit có tồn tại một loạt thuỷ mica trung gian trong đất sét. Cấu trúc của thủy mica có chứa ion Kali (K+) là một đặc điểm quan trọng của khoáng sét này.

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

+ Loại thuỷ mica thứ nhất có dạng tấm mỏng dài, đầu cùng của tấm hơi nhọn hoặc tà, màu trong suốt. Loại này được gọi là glauconit (hình 7).

+ Loại thuỷ mica thứ hai được gọi là hydromuscovit, có dạng tấm mỏng hoặc vảy thường không có màu (hình 8). Hydromuscovit thường gặp nhất trong đất sét.

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

Tuỳ theo mức độ thuỷ phân của khoáng vật đầu và tuỳ theo mức độ thay thế đồng hình mà thành phần hoá học của các loại thuỷ mica có sự dao động lớn. Đặc biệt là hàm lượng K2O trong các khoáng thuỷ mica giảm (50 %) xuống trên dưới một nửa so với lượng K2O trong khoáng  muscovit, còn hàm lượng H2O lại tăng.

Các khoáng thuỷ mica là loại khoáng chính cấu thành đất sét dễ chảy như đất sét làm gạch, ngói và hàm lượng của nó nhiều khi đạt đến 60%.

Do độ mịn của các khoáng cao (kích thước hạt tinh thể khoảng 0,01- 0,5 µm), có cấu  trúc ba lớp và hiện tượng thay thế đồng hình phổ biến nên khả năng trương nở trong nước và dung lượng hấp phụ, trao đổi ion lớn (các tính chất này nằm trung gian giữa khoáng caolinit và monmorilonit).

Các sản phẩm làm từ nguyên liệu chứa đáng kể khoáng muscovit có các đặc tính sau:

• Độ giãn nở sau khi ép : Trung bình.
• Cường độ mộc : Tốt
• Các sản phẩm nung trong khoảng 1100 0C : Có độ co ngót 5 – 8 % độ xốp tương ứng dao động từ 0 – 5% (phụ thuộc vào độ co ngót sau nung).Tuy nhiên nếu bổ sung thêm một lượng carbonate đáng kể (15 – 23 %) thì độ co có thể giảm thêm 1 – 1,2 %, độ xốp giảm xuống từ 22 – 15 % so với khi chưa bổ sung.
• Cường độ uốn sau nung bị ảnh hưởng rõ rệt khi có sự hiện diện của carbonate. Khi có carbonate cường độ uốn thấp (100 – 200 KG/cm2), khi không có carbonate cường độ uốn > 200 KG/cm2
• Hệ số giãn nở nhiệt ở nhiệt độ 1100 0C : 180 – 225.10-7

Một cách khái quát. Gạch được làm từ nguyên liệu chứa nhiều khoáng này dễ dàng kết khối.

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