UDK 666.32:666.6:666.3.041:620.18 Strokovni članek
ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 34(1-2)113(2000)

DOLOČANJE STRUKTURE GLINENEGA OBLIKOVANCA Z OPTIČNIM MIKROSKOPOM
IDENTIFICATION OF THE CLAY BODY STRUCTURE BY THE OPTICAL MICROSCOPE
Mojca Planjšek, Breda Mirtič
Univerza v Ljubljani, NTF, Oddelek za geologijo, Aškerčeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija
Prejem rokopisa - received: 1999-11-22; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20
Za izdelavo gradbene keramike uporabljamo v Sloveniji plastično glino, ki da po žganju rdečo črepinjo. Za optimizacijo sestave mase glede procesa izdelave oblikovanca, žganja ter za doseganje spreminjanja končnih lastnosti in videza izdelka uporabljajo proizvajalci različne dodatke. V sestavku so predstavljeni rezultati preiskav glinenih oblikovancev po žganju v oksidacijski in redukcijski atmosferi pri različnih končnih temperaturah z dodatki opečnega zdroba, MnO2, TiO2, kremenovega peska in frite. S preiskavo v presevni in odsevni svetlobi smo dokazali nastanek črnih jeder, zmanjševanje poroznosti v odvisnosti od končne temperature in dodane frite, delno taljenje posameznih zrn dodatkovter vplivna makroskopski videz izdelka.
Ključne besede: glina, glineni oblikovanec, žganje, struktura, optični mikroskop
Plastic clay is used for manufacturing of the building ceramic. Low amounts of different mineral components are added in order to optimise the manufacturing process and to modify the properties as well as the product image. Results of the investigations of the fired clay bodies are presented in the article. The clay bodies were fired in the oxidation and in the reduction atmosphere at different temperatures. Different amounts of grog, MnO2, TiO2, quartz sand and fritta were added. Investigations of the thin and polished sections of the fired bodies by optical microscope proved the existence of black cores as well as a relationship between porosity, the firing temperature and the amount of the fritta added. In addition, a partial melting of the added mineral components and the influence of the added mineral components on the macroscopic image of the clay product was also proved.
Key words: clay, clay body, firing, structure, optical microscope
1 UVOD
Glina je sediment in je med sedimentnimi kamninami najpogostejša. Skoraj polovico vseh sedimentnih kamnin so gline (40%). Gline pa so tudi pomembna nekovinska surovina. Uporabnost jim določajo njene osnovne značilnosti. Gline so drobnozrnate, imajo veliko sposobnost oblikovanja, če jim dodamo že manjšo količino vode, pri žganju se zgostijo, postanejo trde in obstojne proti mehanskim, toplotnim in delno kemičnim vplivom1. Zato je glina pomembna surovina za izdelavo velikega števila različnih keramičnih izdelkov. Poleg tega uporabljajo gline še vrazličnih vrstah industrije v osnovni (nežgani) obliki kot glavno ali kot stransko sestavino2.
Uporabna vrednost gline je odvisna od vrste, količine, strukture glinenih in drugih mineralov, ki jih glina vsebuje, ter od porazdelitve velikosti delcev3,4.
V ta namen določamo kemično in mineralno sestavo ter fizikalne lastnosti, kot so plastičnost, odpornost proti ognju, skrčki pri sušenju in žganju, vpijanje vode po žganju, trdnost surovega in žganega oblikovanca.
Glineno maso je navadno treba sestaviti za izdelavo keramičnih izdelkoviz različnih vrst gline. Dodajamo lahko tudi druge surovine, s katerimi izboljšamo ali spremenimo lastnosti keramičnega izdelka. Taki dodatki so kremen, ki je pustilo v preveč plastični glini, uravnava zrnavost, vpliva na temperaturo žganja in na skrček pri
ohlajanju. Podoben učinek ima tudi opečni zdrob. Dodatek frite vpliva na temperaturo žganja in trdnost črepinje po njem. Na barvo črepinje po žganju lahko vplivamo z oksidi, pigmenti. Takšna oksida sta MnO2 in TiO2. Hkrati pa barvajoči oksidi vplivajo tudi na temperaturo žganja. Količino dodatka določamo eksperimentalno.
V članku smo z rentgensko difrakcijo in optičnim mikroskopom karakterizirali posamezne dodatke v keramični črepinji, ki je bila žgana do različne končne temperature. Po žganju smo določili tudi vpliv posameznih dodatkovvčrepinji.
2 UPORABLJENI MATERIALI IN METODE
2.1 Sestava komponent
Glino kot glavno surovinsko komponento smo v glinokopu vzorčevali glede na barvo. Odvzeti so bili štirje vzorci (M1, M2, M3, M4). Uporabljeni dodatki so bili: opečni zdrob (M5), ki je žgan odpadni material iz redne proizvodnje, frita (M6), kremenov pesek (M7) in oksida TiO2 ter MnO2. Pri vseh vzorcih gline in dodatkih smo določili kemično sestavo z induktivno plazemsko spektroskopijo, mineralno sestavo pa z rentgensko difrakcijo.
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2
113
M. PLANJŠEK, B. MIRTIČ: DOLOČANJE STRUKTURE GLINENEGA OBLIKOVANCA… Tabela 1: Kemična sestava uporabljenih vzorcev gline in dodatkov, določena z metodo ICP, v mas.%
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaO	Na2O	K2O	TiO2	P2O5	MnO	Cr2O3
M1	65,11	16,31	5,09	0,73	0,29	0,43	1,91	1,41	0,03	0,02	0,029
M2	61,62	18,55	4,43	0,96	0,37	0,57	1,84	1,32	0,05	0,02	0,022
M3	65,61	15,77	5,34	0,79	0,29	0,57	1,86	1,40	0,05	0,03	0,028
M4	67,68	16,05	3,29	0,74	0,32	0,49	1,89	1,51	0,04	0,02	0,028
M5	69,05	19,76	5,55	0,85	0,31	0,31	1,95	1,37	0,02	0,08	0,033
M6	37,12	3,71	1,00	2,38	14,46	3,26	0,52	0,04	0,05	11,40	0,018
M7	93,77	3,03	0,67	0,16	0,12	0,31	0,68	0,44	0,05	0,01	0,032
2.2 Sestava oblikovancev
Osnovna sestavina vseh oblikovancev je bila glina. Poleg nje je bil mešanici za keramične ploščice dodan še kremenovpesek do 3% in izmenično MnO2 do 3% (M12) oz. TiO2 do 3% (M10) ali frita do 0,4% (M11). Surovini za izdelavo tlakovcev je bil dodan opečni zdrob do 16% in TiO2 do 3% (vzorec M9). Opeka je bila narejena iz gline, ki ji je bilo dodanega do 16% opečnega zdroba (M8). Vsi izdelki so bili žgani vredni proizvodnji vtunelski peči. Preiskani so bili: – vlečena debelostenska keramična ploščica, žgana v oksidacijski atmosferi pri temperaturi 1040°C (M12) in 1060°C (M10) ter redukcijski atmosferi pri 1060°C (M11) – vlečen keramični tlakovec, žgan pri 1040°C v oksi-dacijski atmosferi (M9) – vlečena opeka, žgana pri 860°C v oksidacijski atmosferi (M8).
Pri oblikovancih smo po žganju ugotavljali strukturne in teksturne značilnosti ter kemično sestavo z induktivno plazemsko spektroskopijo (ACME, Kanada). Mineralna sestava oblikovancev je bila ugotovljena z optičnim mikroskopom (optični mikroskop Leitz za presevno in odsevno svetlobo, NTF Odd. za geologijo, Ljubljana) ter rentgensko difrakcijo (Philips, NTF Odd. za geologijo, Ljubljana).
3 REZULTATI PREISKAV IN DISKUSIJA
Glina je montmorillonitno - illitna. Vsebuje še nekaj kaolinita in muskovita. Poleg glinenih mineralov vsebuje še kremen, glinence - plagioklaz in železove minerale.
Podobno sestavo imajo vsi vzorci gline, ki smo jih vzeli iz glinokopa glede na različno barvo. Enako sestavo ima tudi povprečen vzorec, odvzet iz homogeni-ziranega kupa, ki je sestavljen enkrat letno.
Tabela 2: Mineralna sestava uporabljenih vzorcev gline in dodatkov, določena z rentgensko difrakcijo
M1	kaolinit, montmorillonit, muskovit (illit), kremen, plagioklaz, goethit
M2	kaolinit, montmorillonit, muskovit (illit), kremen, plagioklaz, goethit
M3	kaolinit, montmorillonit, muskovit (illit), kremen, plagioklaz, goethit
M4	kaolinit, montmorillonit, muskovit (illit), kremen, plagioklaz, goethit
M5	kremen, tridimit, mullit, hematit, TiO2, MnO2
M7	kremen, muskovit, glinenci
3.2 Kemična in mineralna sestava oblikovancev po žganju
Kemična sestava oblikovancev po žganju je podana v tabeli 3.
Po žganju ostaja voblikovancih nekaj nereagiranih mineralov(kremen in glinenci), vodvisnosti od temperature pa kristalijo tudi minerali, značilni za žgano črepinjo. Mineralna sestava je podana v tabeli 4.
Tabela 4: Mineralna sestava oblikovancev po žganju, določena z rentgensko difrakcijo
3.1 Kemična in mineralna sestava surovinskih komponent
Rezultati kemične analize vzorcev gline in dodatkov so podani v tabeli 1. Mineralna sestava posameznih vzorcevgline in dodatkovje podana vtabeli 2.
M8	ß-kremen, glinenec (sanidin), TiO2
M9	ß-kremen, a-tridimit, mullit, hematit, TiO2, MnO2
M10	ß-kremen, a-tridimit, mullit, hematit, TiO2, MnO2
M11	ß-kremen, a-tridimit, mullit, hematit, TiO2
M12	ß-kremen, a-tridimit, mullit, hematit, TiO2, MnO2
Tabela 3: Kemična sestava oblikovancev po žganju, določena z metodo ICP, v mas.%
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaO	Na2O	K2O	TiO2	p2o5	MnO	Cr2O3
M8	67,15	20,61	6,12	0,91	0,33	0,32	1,91	1,33	0,07	0,04	0,033
M9	64,78	19,29	5,43	0,84	0,34	0,31	1,87	5,60	0,04	0,02	0,032
M10	66,25	18,82	5,39	0,82	0,31	0,32	1,86	5,39	0,05	0,01	0,031
M11	69,04	19,65	5,77	0,88	0,39	0,39	1,93	1,37	0,05	0,07	0,029
114
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2
M. PLANJŠEK, B. MIRTIČ: DOLOČANJE STRUKTURE GLINENEGA OBLIKOVANCA...
Slika 1: Vzorec M8. Večje kremenovo zrno z ravnimi robovi, manjša zrna so že zaobljena. Temnejše večje polje pripada opečnemu zdrobu. Manjša temnordeča zrna so hematitna. Presevna svetloba, 1 cm = 60
iim
Figure 1: Sample M8. Large quartz grain with straight edges, small
grains are already rounded. Large dark area represents grain of grog.
Small dark red grains are of hematite. Transmitted light, 1 cm = 60
iim
3.3 Strukturne značilnosti glinenih oblikovancev po žganju
Strukturne in teksturne značilnosti glinenih oblikovancev po žganju smo določali pri vzorcih M8 do M12.
V presevni in odsevni svetlobi smo v obrusih določili enako mineralno sestavo, kot z rentgensko difrakcijo. Minerali ß-kremen (slika 1), a-tridimit in glinenci so najbolj debelozrnati, ker so vsurovini najtrše mineralne sestavine. Zaradi velikosti ti minerali v izdelku ostajajo tudi po žganju. Nekaj ß-kremena je zaradi ogrevanja
Slika 2: Vzorec M10. Kremenova zrna so dobro zaobljena, med zrni in osnovo je dober stik. Poroznost je nizka, večje pore so podolgovate, manjše pa zaobljene. Vmes je nekaj zrn z najvišjo odsevno sposobnostjo, ki pripadajo hematitu. Odsevna svetloba, 1cm = 60 µm Figure 2: Sample M10. Quartz grains are well rounded, there is a good contact between the grains and matrix. Porosity is low, large pores are elongated, small are rounded. There are also some grains of the highest reflectivity that belong to the hematite. Reflected light, 1 cm = 60 µm
Slika 3: Vzorec M9. Usmerjena poroznost, polja z drugače usmerjenimi porami pripadajo zrnu opečnega zdroba. Odsevna svetloba, 1 cm = 60 µm
Figure 3: Sample M9. Preferred orientation of pore denotes matrix and grains of grog. Reflected light, 1 cm = 60 µm
prešlo v ?-tridimit. Kremen je zaradi velikega raztezka pri ogrevanju in ohlajanju razpokal (slika 1).
Železovi minerali so med žganjem prešli v železov oksid. Ker je potekalo žganje voksidacijski atmosferi, je nastal hematit. Le-ta se pojavlja v vzorcu, žganem nad temperaturo 1040°C. Je zelo drobnozrnat, zato posameznih zrn niti pri največji povečavi ne opazimo. Skupke hematita zaznamo v odsevni svetlobi samo na posameznih mestih, kjer je bila homogenizacija surovine slabša. V odsevni svetlobi imajo zrna hematita največjo odsevno sposobnost med vsemi minerali (slika 2), ki sestavljajo keramični oblikovanec in so vidni z optičnim mikroskopom. Da je včrepinji po žganju resnično hematit, lahko dokažemo v presevni svetlobi, ker je vzorec značilno obarvan (opečna barva črepinje).
Slika 4: Vzorec M12. Zaobljena izometrična kremenova zrna. Paličasti rumenkasti mullitni kristali, večja črna zrna pripadajo MnO2. Presevna svetloba, 1 cm = 60 µm
Figure 4: Sample M12. Rounded isometric quartz grains. Needle like yellow mullite crystals, large black grains belong to MnO2. Transmitted light, 1 cm = 60 µm
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2
115
M. PLANJŠEK, B. MIRTIČ: DOLOČANJE STRUKTURE GLINENEGA OBLIKOVANCA...
Slika 5: Vzorec M11. Zrno frite vsredini slike se je stalilo in povzročilo nastanek črnega jedra. Odsevna svetloba, 1 cm = 60 µm Figure 5: Sample M11. Fritta in the middle of the picture melted at the firing temperature and caused the existence of the black core. Reflected light, 1 cm = 60 µm
Pore voblikovancu so značilno razpotegnjene v smeri vlečenja (slika 2). Robovi por so ostri. Zaobljenost je odvisna od temperature žganja. V vzorcu, ki je bil žgan pri najvišji temperaturi, je opazno zmanjšanje števila drobnih por. Nastalo pa je več velikih por z zaobljenimi robovi (slika 3). Pojavdokazuje, da je pri tej temperaturi včrepinji že talina.
V vzorcih, ki so bili žgani pri višjih temperaturah (1040 in 1060°C), je kristalil tudi rumenkast paličast mullit (slika 4)
Zaradi slabe homogenizacije je dodani TiO2 ostal v črepinji v obliki večjih skupkov, ki niso reagirali z okolico. TiO2 včrepinji povzroči, da značilna opečnata barva zbledi - črepinja postane rumeno (oker) obarvana. Podoben učinek dajo tudi skupki MnO2, zaradi katerih se črepinja čokoladno rjavo obarva (slika 4).
Med debelozrnate delce včrepinji spada tudi opečni zdrob (slika 1), kjer lahko vidimo, da zrna niso reagirala z glineno osnovo. Robovi zrn opečnega zdroba so potemneli zaradi difuzije MnO2. Opečni zdrob je v črepinji temnejše opečne barve kot osnova.
Frita znižuje temperaturo tališča surovinske mase in povečuje količino taline, s tem pa zmanjša poroznost črepinje. V vzorcu, ki je bil žgan v redukcijski atmosferi, so na mestih zrn frite nastala črna jedra (slika 5).
3.4 Teksturne značilnosti glinenih oblikovancev po žganju
Tekstura keramične črepinje je odvisna od načina oblikovanja. Z višanjem temperature žganja se tekstura spreminja. Izrazito usmerjene pore postajajo z večanjem količine taline vse bolj okrogle. To velja predvsem za manjše pore (slika 3).
4 SKLEP
Mineralna sestava gline iz glinokopa se ne spreminja v odvisnosti od barve.
Struktura keramičnih oblikovancev je odvisna od temperature žganja in od sestave končne mase. Z naraščajočo temperaturo se manjša količina primarnih mineralov(kremen, glinenci, glineni minerali, muskovit) in nastajajo novi, hematit in mullit. Kremen prehaja v visokotemperaturne modifikacije in delno reagira. Podobno se dogaja z glinenci. Dodatki kot so TiO2 in MnO2 delno reagirajo z osnovo, predvsem pa vplivajo na barvo črepinje po žganju. Frita se že pri temperaturi 1040°C tali, vendar v redukcijski atmosferi povzroči nastanek črnih jeder.
Teksturo keramične črepinje določa način oblikovanja izdelka. Debelozrnati minerali in pore so po črepinji razporejeni vsmeri vlečenja. Usmerjenost por se z višanjem temperature manjša.
Rezultati preiskave z rentgensko difrakcijo in preiskavo vzorcev črepinje z optičnim mikroskopom se dobro ujemajo.
5 LITERATURA
1 V. Osterc: Non-metal raw materials. FNT, Dept. of Geology, Ljubljana, 1980
2 N. Daneu: Clay for manufacturing of clay liners. Diploma thesis, University of Ljubljana, FNT, Dept. of Geology, Ljubljana, 1996
3 R. W. Grimshaw: The chemistry and physics of clays and allied ceramic materials. London, 1971
4 B. Mirtič, J. Strašek, Rudarsko-metalurški zbornik, 40 (1993) 240-250
5 F. Trojer: Die oxydischen Kristallphasen der anorganischen Industrieprodukte. E. Schweizerbartische Verlagsbuchhandlung. Stuttgart, 1963
116
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2