4
Aanvulling bij hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
4.1 4.2
De samenstelling van klei Het gedrag van klei
4.1
De samenstelling van klei
Bij paragraaf 4.2.2 in het boek. De kleimineralen behoren meestal tot de mineralenfamilie der 'phyllosilicaten'. De kleideeltjes komen voor als kleine 'plaatjes' vaak met een meer of minder negatieve oppervlaktelading waardoor de plaatjes vaak ionen (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ en dergelijke vaak tezamen met OH- ionen) absorberen. Water kan zich tussen de plaatjes dringen waardoor de klei voor kan komen als vaste, stijve massa (dus met weinig water of droog), als plastisch vervormbare massa en als gietbare vloeistof. In klei vindt men laagjes van siliciumoxide tetraëders en aluminium / magnesiumoxide octaëders. Zie figuur A4.1 en A4.2.
en
zuurstof en/of OH-
basisunit
aluminum, magnesium laagstructuur
Figuur A4.1 Octaëdrische unit en de laagstructuur in geval van aluminium en/of magnesium
en basisunit
zuurstof
en
silicium
laagstructuur
Figuur A4.2 De siliciumoxide-tetraëder (links) en de laagstructuur (rechts) De silicaatlaag geeft men vaak aan met figuur a of b uit figuur A4.3. De octaederlaag is figuur c in figuur A4.3, waarbij men onderscheid maakt met de 'Gibbsiet-laag' als er voornamelijk aluminium aanwezig is en de 'Brucietlaag' als er magnesium aanwezig is.
Aanvulling hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
1
a Silicaatlaag
of
b
c Gibbsiet-laag (met aluminium)
G
Bruciet-laag (met magnesium)
B
Figuur A4.3 Schematische weergave van de mogelijke laagstructuren In tabel A4.1 is een overzicht van een aantal kleimineralen gegeven met hun laagjesstructuur. Tabel A4.1 Overzicht van enige kleistructuren Klei Kaoliniet, Chrysoliet, antigoriet
Basisstructuur
Kaoliniet met Gibbsiet Serpentine met Bruciet Montmorilloniet (met Gibbsiet-laag) Saponiet (met Bruciet-laag)
Aanvulling hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
2
4.2
Het gedrag van klei
Bij paragraaf 4.2.3 in het boek. Vele kleisoorten zijn tussen een vochtgehalte van 20 tot 50% plastisch vervormbaar (men kan het mengsel dan vervormen zonder dat er breuk of scheurvorming optreedt). De ondergrens, dus de overgang van niet-plastisch vervormbaar en wel plastisch vervormbaar, noemt men de uitrolgrens of ook wel de plasticiteitsgrens. Onder de uitrolgrens scheurt een stuk klei bij uitrollen (het is te droog). De grens tussen plastisch en vloeibaar noemt men de vloeigrens. Boven de vloeigrens gedraagt het klei-watermengsel zich als een vloeistof en is het dus te gieten in een vorm. Men definieert het verschil tussen vloeigrens en uitrolgrens als plasticiteitsindex. Een kleisoort met een kleine plasticiteitsindex is niet geschikt om er stenen van te bakken omdat immers bij slechts een zeer geringe verandering van de waterhoeveelheid de klei dan wel stijf en stug is dan wel vloeibaar. Een materiaal met plasticiteitsindex van nagenoeg nul is bijvoorbeeld zand; zie tabel A4.2. Tabel A4.2 Invloed Materiaal Een zandsoort Een leemsoort Een kleisoort
water bij verschillende grondcomponenten Uitrolgrens Vloeigrens Plasticiteitsindex 20% 20% 0 30% 50% 20% 35% 75% 40%
Ook bij de kleisoorten zelf kan een grote variatie te vinden zijn; zie tabel A4.3. Tabel A4.3 Mogelijke variaties bij kleisoorten Materiaal Uitrolgrens Een montmorilloniet 41% Een kaoliniet 42%
Vloeigrens 623% 87%
Van belang is dat de aanwezigheid van metaalionen op het oppervlak van de kleideeltjes de grenzen sterk kan verschuiven en dat deze verandering zelf weer afhankelijk is van het soort metaalatoom. Zo zijn bijvoorbeeld voor illiet met Ca++-ionen op het oppervlak de grenzen 40 en 90 en met Na+-ionen 34% en 61%. Als dus Na+-ionen de Ca++-ionen in illiethoudende grond verdringen wordt deze grond bij een veel lager watergehalte vloeibaar. Bij andere mineralen kan de invloed andersom zijn. Ook de grootte en de vorm van de kleideeltjes is van invloed op het plasticiteitsgebied. Bij zeer goed gekristalliseerde kaoliniet met Na+-ionen op het oppervlak kan de vloeigrens 29% en de plasticiteitsgrens 28% bedragen. Bij 1% vochtverhoging slaat het materiaal dus van een vaste stof om in een vloeibare suspensie. Hoe kleiner de deeltjes zijn hoe hoger de grenzen komen te liggen en hoe groter de plasticiteitsindex wordt, zie tabel A4.4. Tabel A4.4 De invloed Materiaal Deeltjes < 1 µm Deeltjes <½ µm
van de korrelgrootte bij illietklei Uitrolgrens Vloeigrens 40% 83% 52% 104%
Ook het uitdrogen van klei kan de grenzen veranderen en een lichte oxidatie van organische materialen die de deeltjes aan elkaar bindt, kan één van de Aanvulling hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
3
oorzaken zijn van verlaging van beide grenzen. Als men de grenzen bij grond wil vastleggen, zijn zowel de aanwezige soorten klei als de hoeveelheid van elke soort bepalend. Men heeft daarom het begrip activiteit ingevoerd (Skempton): de plasticiteitsindex gedeeld door het percentage deeltjes < 2µm. Het getal is een maat voor de plasticiteitsindex van de in de grond aanwezige klei. Voor illiet kan dit getal bijvoorbeeld 0,8 zijn, voor kaoliniet bijvoorbeeld 0,3 en voor montmorrilloniet bijvoorbeeld 4. Bij een waarde boven de 2 spreekt men van actieve grond, onder de 0,5 van inactieve grond. Actieve klei kan veel water opnemen, kan sterk samengedrukt worden en kan veel tegen-ionen op het grensvlak bergen. Ze is thixotroop en heeft een lage waterdoorlatendheid. Voor montmorrillonietklei is dat dus duidelijk. Afmeting, vorm, afstand en grootte van de aantrekkingskrachten van de deeltjes, maar ook de toestand waarin de vloeistof verkeert, bepalen de plasticiteit. De toestand van het water in de directe omgeving van de kleideeltjes verschilt van die van het water op grotere afstand. Dit kan als volgt worden gezien. De eerste molecuullagen water zijn zodanig aan de kleideeltjes geadsorbeerd dat zij met hun lading naar het oppervlak toe zijn gericht. De bewegelijkheid van de waterdeeltjes (dipolen) neemt daardoor af en daarmee ook de smerende werking die een voorwaarde is voor plasticiteit. Omdat het totale oppervlak van de klei zeer groot is, kan de klei bij de lage vochtgehalten het karakter van een vaste stof bezitten. Hoe groter het aantal molecuullagen wordt, des te meer bewegingsvrijheid krijgen de dipolen van het verder van de kleideeltjes gelegen water en des te groter wordt de bewegelijkheid van de kleideeltjes ten opzichte van elkaar. Bovendien nemen dan de attractiekrachten tussen de deeltjes af als gevolg van de grotere afstand, en kunnen de deeltjes ook ruimtelijk gemakkelijker ten opzichte van elkaar bewegen. Het water dat zich in de poriën tussen de grote deeltjes bevindt of tussen groepen van evenwijdig gerichte kleideeltjes, is evenmin beschikbaar als smeerwater. Het aantal gerichte lagen water wordt in sterke mate beïnvloed door opgeloste ionen. Vandaar dat de plasticiteitsgrens zo duidelijk kan verschuiven. Bij de baksteenindustrie maakt men gebruik van het apparaat van Pfefferkorn, zie figuur A4.4. Het apparaatje rechts gebruikt men om monsters mee te maken van vastgelegde afmetingen. Met het apparaat links drukt men op een standaardwijze het monster in elkaar. Het vochtgehalte waarbij men een resthoogte bereikt van ongeveer 15 mm blijkt dan een geschikt vochtgehalte voor de te drogen en te bakken klei te zijn.
Aanvulling hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
4
Figuur A4.4 Het Pfefferkorn-apparaat Een voorbeeld van een meting is gegeven in figuur A4.5. Het kleimengsel van 25% geelbakkende klei met 75% gemalen baksteenpuin is ongeschikt voor baksteenfabricage omdat het te gevoelig is voor de watertoevoeging. Het mengsel met 50% klei en 50% gemalen baksteenpuin is geschikter om er nieuwe bakstenen van te maken.
35
restheight[m m ]
30 25 50% granulated masonry + 50% yellow firing clay (50MY/50CY)
20 15
75% granulated yellow clay bricks + 25% yellow firing clay (75GY/25CY)
10 5 0 20%
22%
24%
26%
28%
30%
water[percentage on dry w eight]
Figuur A4.5 De invloed van het watergehalte voor twee mengsels op de resthoogte bij de Pfefferkorn-test Bron: proefschrift K. van Dijk, Closing the claybrick cycle
Aanvulling hoofdstuk 4 Gebakken kunststeen
5
