Нижний предел пластичности глин

Данные, приведенные в табл. 5-1—5-3, свидетельствуют, что ни в одном случае значение нижнего предела пластичности не типично для какого-либо глинистого минерала. В самом деле, для конкретного глинистого минерала эти значения могут довольно сильно различаться, как, например, в случае галлуазитов и монтмориллонитов. Эти различия обусловлены не только колебаниями состава обменных катионов и наличием примеси неглинистых минералов, но и присущей самим глинистым минералам неоднородностью в строении и составе. Влияние этой неоднородности на величину нижнего предела пластичности особенно сильно проявляется в монтмориллонитах, насыщенных литием.

В общем по уменьшению величины нижнего предела пластичности глинистые минералы располагаются в следующем порядке: аттапульгит, монтмориллонит, галлуазит 4Н2О, иллит, галлуазит 2Н2О и каолинит. Нонтронит — разновидность монтмориллонита, богатая железом, — по-видимому, имеет значительно меньшую величину нижнего предела пластичности, чем глиноземистые монтмориллониты (табл. 5-2). Значение нижнего предела пластичности галлуазита, содержащего 4Н2О, колеблется также в зависимости от того, принимается ли в расчет межслоевая вода (табл. 5-2).

В случае монтмориллонитов обменные натрий и литий обусловливают большие величины нижнего предела пластичности. Нижние пределы пластичности почти не различаются для монтмориллонитов, содержащих в качестве обменных катионов кальций, магний, калий, аммоний, хотя аммоний, вероятно, обусловливает несколько большую величину нижнего предела пластичности, чем кальций, а калий и магний — несколько меньшие величины. В случае ионов алюминия, водорода, трехвалентного железа и тория значения нижнего предела пластичности, по-видимому, будут еще ниже. Основываясь на результатах работы Уильямса и др., можно полагать, что величина нижнего предела пластичности монтмориллонитов, содержащих в качестве обменных катионов натрий и какой-либо двухвалентный катион, например кальций, в значительной степени зависит от количественного соотношения этих катионов. Кроме того, при некоторое данном соотношении кальция и натрия, например при соотношении 40:60, монтмориллониты, видимо, будут иметь большие величины нижнего предела пластичности, чем в тех случаях, когда они содержат только натрий или только кальций.

Для других глинистых минералов состав и характер обменных катионов не влияют на величину нижнего предела пластичности, что и следовало ожидать вследствие низкой обменной емкости этих минералов. В горных породах, сложенных различными глинистыми минералами (не считая монтмориллонита), величина нижнего предела пластичности, по-видимому, зависит от присутствия неглинистых примесей и других особенностей состава больше, чем от обменных катионов. Исключение составляет то, что натрий приводит к некоторому уменьшению нижнего предела пластичности этих глинистых минералов, тогда как в случае монтмориллонитов он обусловливает увеличение этого предела пластичности.

Подходящих образцов для определения пределов пластичности хлоритов не имелось, однако на основании структурных особенностей этих минералов можно полагать, что по пластичности они близки к иллитам или каолинитам. Ламб и Мартин определили пределы пластичности хлоритов на I онкомолотом материале, полученном из крупнокристаллических образцов; их данные заставляют предполагать, что значения нижнего предела пластичности хлоритовых минералов соответствуют значениям для хорошо окристаллизованных каолинитов (табл. 5-2).

Для аллофанов пока нельзя сделать каких-либо выводов, так как для них очень мало данных. Грэдуэлл и Беррелл показали, что природный аллофан до того, как он высохнет, может иметь высокий нижний предел пластичности. Согласно Берреллу, высушивание на воздухе приводит к резкому уменьшению пределов пластичности аллофана (табл. 5-2). Результаты исследований, проведенных в лаборатории автора настоящей книги (неопубликованные данные), указывают на то, что плохо окристаллизованные или аморфные минералы в одних глинистых породах приводят к увеличению, а в других — к уменьшению нижнего предела пластичности. По-видимому, такие минералы не вполне аморфны, а скорее обладают очень слабой кристалличностью, которая не может быть выявлена рентгеновскими методами. В том случае, когда нижний предел пластичности увеличивается, аллофано-вые минералы могут иметь строение, сближающее их с монтмориллонитами. Если нижний предел пластичности уменьшается, то по своему строению аллофаны, вероятно, приближаются к двухслойным глинистым минералам.

Сравнивая данные для двух образцов каолинита (табл. 5-1), можно видеть, что нижний предел пластичности зависит от степени кристалличности и дисперсности каолинита — образец плохо окристаллизованного каолинита, сложенный более мелкими частицами (каолинит 1), характеризуется гораздо большей величиной нижнего предела пластичности, чем образец, сложенный довольно крупными хорошо окристаллизованными частицами (каолинит 2).

Данные для галлуазита неполные; отсутствуют определения для разностей, имеющих промежуточную стадию гидратации — между двух- и четырехводной формами. Изучение связности галлуазитовых глин показало, что по своим физическим свойствам промежуточные по гидратации галлуазиты резко отличаются от двух или четырехводных галлуазитов. Установление этих различий имеет большое практическое значение, так как они указывают на то, что результаты лабораторных исследований образцов с тщательно сохраненной природной влажностью могут иметь лишь небольшое значение для выяснения поведения природного материала, для которого вероятны некоторые изменения влажности. Различие свойств разно гидратированных галлуазитов не позволяет по результатам технологических испытаний галлуазитовых глин охарактеризовать их поведение.

По данным, приведенным в табл. 5-1, видно, какое большое влияние оказывает монтмориллонитовая составляющая пород на величину нижнего предела их пластичности. Монтмориллонит 4 содержит около 25% иллита, и, несмотря на это, не наблюдается снижения нижнего предела пластичности по сравнению с чистыми образцами, что свидетельствует о зависимости величины нижнего предела пластичности в основном от монтмориллонитовой составляющей. Иллит 3 содержит только немного монтмориллонита (5—10%). но и этого количества достаточно, чтобы нижний предел пластичности образца, насыщенного катионами натрия, увеличился. Данные, приведенные в табл. 5-3, говорят о том, что небольшая примесь монтмориллонита к каолинитовой или иллитовой глине немного повышает нижний предел пластичности, однако, как будет показано ниже, эта примесь сильно повышает верхний предел пластичности, а следовательно, и число пластичности.

По Уайту, переход от пластического к непластическому состоянию у натриевых и литиевых монтмориллонитов постепенный, тогда как у монтмориллонитов, содержащих другие обменные катионы, резкий. Поэтому у первых нельзя указать интервал влажности, при котором они пластичны. Для монтмориллонитов с другими обменными катионами в состоянии, близком к нижнему пределу пластичности, небольшие изменения влажности приводят к довольно резкому изменению физических свойств, поэтому нижний предел пластичности имеет вполне определенную легко воспроизводимую величину.