CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO
1.2. NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
1.2.3.2. Một số tính chất hoá lý cơ bản của khoáng sét bentonit
a. Tính trương nở của bentonit
Ta biết rằng khoảng cách cơ bản giữa các lớp của mạng lưới tinh thể mont., bị thay đổi thông thường từ 10÷30A0 phụ thuộc vào lượng nước liên kết nằm ở khoảng không gian giữa các lớp cấu tạo. Đây là một tính chất rất quan trọng của bentonit, tính chất trương nở.
Ban đầu bentonit hấp phụ H2O trên các tâm hấp phụ giữa các lớp, tại đây luôn tồn tại các cation, nhờ khả năng hydrat hóa của các cation đó mà nước được hấp phụ rất đáng kể, dẫn đến khoảng cách giữa các lớp tăng lên.
Chính vì vậy, thể tích của bentonit tăng khoảng 15÷20 lần so với thể tích ban đầu khi bão hòa nước.
Nước bị hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào đặc điểm của các cation. Mỗi cation bị hydrat hóa bởi 3 hoặc 6 phân tử nước. Các cation bị hydrat hóa bởi 6 phân tử nước sẽ làm tăng khoảng cách giữa các lớp đến 5A0. Bentonit có khả năng hút ẩm trong không khí, khả năng này phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ trong không khí. Các cation hóa trị một (1+) bị tách nước dễ dàng hơn so với cation hóa trị hai (2+). Trong môi trường nước các hạt bentonit có kích thước nhỏ bị phân tán mạnh, chúng bị hydrat hóa tạo ra các liên kết bền vững giữa các phân tử nước và các hạt tạo ra tính dẻo của bentonit và giữ cho các hạt ở trạng thái lơ lửng trong nước. Hệ huyền phù của bentonit kiềm rất bền, ở nồng độ 5÷7% trọng lượng, chúng có thể tồn tại hàng năm.
b. Tính chất trao đổi ion
Tính chất trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của bentonit. Có hai nguyên nhân gây nên khả năng trao đổi ion của bentonit:
- Sự thay thế đông hình Si4+ bằng Al3+ trong mạng lưới tứ diện và Al3+
bằng Mg2+ trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong mạng lưới cấu trúc. Thông thường điện tích âm của mạng được bù trừ bởi các cation trao đổi. Dung lượng trao đổi ion của bentonit phụ thuộc vào số lượng điện tích âm bề mặt. Số lượng cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn. Điện tích âm này có thể được cân bằng bởi các nhóm hydroxyl (-OH) thay thế nguyên tử oxy trong cấu trúc.
- Trong mạng lưới tinh thể của bentonit tồn tại nhóm (-OH). Nguyên tử hydrocủa nhóm này trong điều kiện nhất định có thể tham gia vào phản ứng trao đổi. Các nhóm (-OH) liên kết với cation Al3+ hoặc cation Mg2+ trong mạng lưới bát diện mang tính chất giống như nhóm (-OH) trên bề mặt của oxyt nhôm và oxyt magiê. Các nhóm (-OH) nằm ở mặt bên của tinh thể liên kết với nguyên tử Si được xem như nhóm (-OH) trên bề mặt Si. Dung lượng trao đổi
caction của bentonit thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc vào số lượng cation trao đổi và pH của môi trường trao đổi. Trong môi trường kiềm nói chung, dung lượng trao đổi cation của bentonit khá lớn. Dung lượng trao đổi cation dao động trong khoảng 80÷150 mg.đlg/100g, dung lượng trao đổi anion dao động trong khoảng 15÷40 mg.đlg/100g. Khả năng trao đổi ion của bentonit phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi. Các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation hóa trị lớn theo thứ tự: Me+> Me 2+> Me3+.
Đối với các cation cùng hóa trị, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn. Có thể xắp xếp khả năng trao đổi ion theo trật tự sau:
Li+ > Na+> K+> Mg2+> Ca2+> Fe3+> Al3+
Giá trị dung lượng trao đổi ion phản ánh hai tính chất cơ bản của bentonit đó là diện tích bề mặt và lượng điện tích âm trong mạng lưới.
Bề mặt của bentonit gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong:
- Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt ngoài phản ánh kích thước tinh thể, phụ thuộc vào sự gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì dung lượng trao đổi càng lớn.
- Dung lượng trao đổi ion ở bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trong mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào số lượng các cation bù trừ ở trong mạng lưới. Số lượng các cation càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Tính chất trao đổi ion là một đặc trưng quý báu của bentonit. Nhờ đó mà người ta có thể biến tính bentonit để tạo ra vật liệu có tính chất xúc tác, hấp phụ và các tính chất hóa lý khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng chúng.
c.Tính chất hấp phụ của bentonit
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc xốp của nó. Theo tính toán thì bề mặt riêng của bentonit khoảng từ 500÷750 m2/gam. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt ngoài và bề mặt trong.
Bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Khoảng cách cơ bản giữa các lớp bị thay đổi phụ thuộc vào loại cation trao đổi giữa các lớp, phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất bị hấp phụ. Vì vậy, bề mặt trong của bentonit cũng bị thay đổi trong quá trình bị hấp phụ.
Bề mặt ngoài được xác định bởi bề mặt của các mao quản chuyển tiếp.
Các mao quản này tạo nên do sự tiếp xúc của các hạt bentonit và có kích thước khoảng 40÷90A0. Diện tích bề mặt ngoài và kích thước mao quản chuyển tiếp phụ thuộc vào kích thước hạt bentonit. Hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài càng lớn và kích thước mao quản chuyển tiếp càng nhỏ.
Sự hấp phụ ở bề mặt trong của bentonit chỉ xảy ra khi chất bị hấp phụ là chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Sự hấp phụ trao đổi này phụ thuộc vào diện tích, hình dáng và kích thước của ion đó. Dung lượng trao đổi cation của Bentonit lớn hơn dung lượng trao đổi anion, do đó bentonit hấp phụ chủ yếu là cation. Trong môi trường kiềm, dung lượng trao đổi cation tăng lên một cách đáng kể do có sự tham gia của proton trao đổi trong nhóm Si-OH, Al-OH, Mg-OH.
Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua cầu nước tuỳ thuộc vào số lượng phân tử nước liên kết ở không gian giữa các lớp ít hay nhiều. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước lớn, khối lượng phân tử cao, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxy đáy của tứ diện trong mạng lưới của tinh thể bởi lực Vander Waal hoặc liên kết hydro. Còn đối với chất hữu cơ không phân cực, các chất cao phân tử và đặc biệt là vi khuẩn thì sự hấp phụ chỉ xảy ra trên bề mặt (bề mặt hạt) của bentonit. Bề mặt ngoài của Bentonit được quy định bởi kích thước hạt của nó. Hạt càng nhỏ, thì diện tích bề mặt ngoài và độ phân tán càng lớn và dẫn đến khả năng hấp phụ càng cao.
Dựa vào cấu trúc và các tính chất nêu trên của khoáng sét bentonit, trong luận án NCS đã khảo sát, lựa chọn bentonit ở 4 tỉnh Lâm Đồng, Bình Thuận, Thanh Hoá, Phú Yên và có so sánh với bentonit thương phẩm của 2 Công ty nước ngoài, để lựa chọn khoáng sét bentonit phù hợp làm nguyên liệu chế tạo thanh cốt neo.