Натриевый монтмориллонит

Как показано на фиг. 4-31, зерна кварца в формовочных смесях, связанных натриевым монтмориллонитом, покрыты ровной однородной пленкой. Эта глина состоит из чешуеобразных частиц, и когда она смешивается с песком и водой, то эти частицы распадаются на очень мелкие чешуйки, которые равномерно слипаются одна с другой и образуют пленку на кварцевых песчинках. Характерная особенность этой пленки — отсутствие агрегатов или более крупных частиц глины.

Когда в песчано-глинистую смесь добавляется вода, она просачивается к частицам монтмориллонита и образует пленку, которая покрывает каждую глинистую чешуйку. Если эта пленка тонкая, то молекулы воды, составляющие ее, занимают определенные строго фиксированные положения по отношению к поверхности монтмориллонитовых частиц. Такая вода, молекулы которой ориентированы и занимают строго определенное положение, является нежидкой водой, кристаллической или жесткой. Первые порции воды, добавляемой в песчано-глинистую смесь, приобретают строгую ориентировку и адсорбируются на поверхности монтмориллонитовых чешуек. По мере увеличения содержания воды пленки адсорбированной воды становятся толще, причем увеличение толщины пленок имеет ступенчатый характер, т. е. сначала вода образует слой толщиной в одну молекулу; при большем содержании воды образуется второй слой толщиной в одну молекулу и т. д. Ориентировка молекул воды и как следствие этой ориентировки «нежидкое» ее состояние обусловлены характером распределения атомов, участвующих в строении самого монтмориллонита. Это влияние распределения атомов в монтмориллоните распространяется на ограниченное расстояние от поверхности чешуек; поэтому толщина слоя связанной воды на поверхности чешуек также ограничена.

В табл. 4-5 приведены расчетные данные по толщине пленки воды и толщине пленки монтмориллонита, покрывающих зерна кварца. Эти расчеты были выполнены на том основании, что вода проникает к каждой элементарной ячейке, что, по-видимому, действительно имеет место для данного монтмориллонита. Согласно этим данным, во всех смесях, содержащих большее количество глины, чем необходимо для развития хорошей связности (5%), толщина пленки воды при максимальной прочности сопротивления сжатию во влажном состоянии равна приблизительно 8 А, что примерно соответствует толщине трехмолекулярного слоя воды. Кроме того, эти расчеты выполнены исходя из предположения, что молекулы воды имеют рыхлую упаковку и структуру, предложенную Хендриксом и Джефферсоном.

Несомненно, что толщина слоя связанной воды на монтмориллоните будет равна по меньшей мере толщине трех молекул воды и, следовательно, вода, покрывающая монтмориллонитовые чешуйки, при максимальном сопротивлении сжатию во влажном состоянии имеет характер связанной воды. Поскольку связующие агенты, как глина, так и вода, имеют жесткое строение при максимальной прочности во влажном состоянии, концепция связности формовочных смесей во влажном состоянии должна быть основана на тех же условиях, которые приводят к образованию жесткого каркаса из связующих материалов. Толщина пленки воды (8 А) лишь немного меньше толщины элементарной ячейки монтмориллонита (9,5 А). Поэтому пленку, покрывающую каждое кварцевое зерно, можно рассматривать как пленку, состоящую из чередующихся пакетов монтмориллонита и слоев связанной воды, причем слои этой воды тоньше пакетов глины.

В табл. 4-5 приведена толщина пленок воды и монтмориллонита, покрывающих песчинки, рассчитанная для количества воды, которое содержат смеси при минимальном объемном весе. Эти данные показывают, что смеси содержат достаточно глины для придания им хорошей связности, имеют минимальный объемный вес в том случае, когда вода покрывает каждую поверхность чешуйки пленкой толщиной около 12 А, которая лишь немного превышает толщину четырех молекул воды. Весьма примечательно, что минимальный объемный вес достигается в том случае, когда толщина пленки воды, приходящейся на одну элементарную ячейку монтмориллонита, примерно на один молекулярный слой воды больше толщины пленки, необходимой для развития максимального сопротивления сжатию во влажном состоянии.

Как будет показано ниже, смеси, связанные натриевым монтмориллонитом, имеют минимальный объемный вес тогда, когда пленка воды относительно толстая и частично уже перестает быть связанной водой. Пленку на кварцевых песчинках в состоянии минимального объемного веса можно рассматривать как пленку, состоящую из чередующихся слоев монтмориллонита и воды, причем слои воды будут несколько толще монтмориллонитовых слоев. При этом отдельные слои воды связаны не полностью; центральную часть каждого слоя занимает вода, которая связана хуже, чем вода, непосредственно примыкающая к монтмориллонитовым пакетам.