Научно-исследовательская работа по теме: Физико-химический анализ строительной глины с. Воробьёвки
XI республиканская научно-практическая конференция школьников
«Первые шаги в науку»
Направление: химия
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
СТРОИТЕЛЬНОЙ ГЛИНЫ СЕЛА ВОРОБЬЁВКИ
Автор: Алиева Аминат Курбановна,
ученица 9 класса
Место выполнения работы: Приютненский район,
Муниципальное казённое образовательное учреждение
«Воробьёвская СОШ»
Научный руководитель:
Рыбакова Анна Владимировна
учитель химии и географии
2015 год
ОГЛАВЛЕНИЕ:
Введение……………………………………………………………………………..3
Возникновение, образование, разновидности и свойства глин………………….3
История глины и саманных домов……………………………………………..3
Состав и свойства глин…………………………………………………………4
Разновидности глин…………………………………………………………….5
Месторождения глин на территории Республики Калмыкия………………..6
Исследовательская часть…………………………………………………………...6
Результаты физико-химических методов анализа строительных глин …….6
Выводы и заключение……………………………………………………………..10
Список использованных источников информации и литературы……………..11
Приложения……………………………………………………………………….. 12
Введение
Большинство домов в нашем селе построено из смеси глины с соломой (саманный кирпич). Считается, что здания из самана более полезны для здоровья человека, чем построенные из кирпича или бетона и камня.
У меня возник вопрос: почему почти все дома в нашем селе построены из этого строительного материала? Какие свойства этого материала обусловили такое широкое применение?
Поэтому целью данной работы стало изучение физико-химических свойств местных образцов строительной глины села Воробьевки.
В рамках данной цели ставились следующие задачи:
Рассмотреть историю глины и саманных домов, изучить состав, свойства и её разновидности;
Определить месторождения и виды глин в Республике Калмыкия;
Провести физико-химические методы анализа глины с. Воробьёвки;
Составить рекомендации по использованию местных строительных глин в селе Воробьёвке Приютненского района.
При изучении литературы по данному вопросу я выявила, что степень изученности темы довольно высокая. Например, в Республике Калмыкия в 2012 году проводилось школьное исследование вопроса использования почвенного наследия посёлка Тугтун Кетченеровского района [1]. И в целом по стране, есть множество опубликованных работ по изучению свойств различных видов глин. После изучения опубликованных работ по данной теме мне стало интересно исследовать состав и свойства местных образцов строительных глин села Воробьёвки.
2. Возникновение, образование, разновидности и свойства глин
2. 1. История глины и саманных домов.
История глины начинается с легенд о сотворении мира. Адама Бог вылепил из глины, а потом вдохнул в него жизнь. Чтобы укрыть себя и свою семью от непогоды человеку требовался дом. Несколько тысячелетий назад людьми были разработаны различные технологии строительства, в первую очередь, зависимые от доступности простейших стройматериалов, — камня и дерева. Для многих народов, населявших до нашей эры Землю по периметру экватора, древесина и камень оказались в большом дефиците, им пришлось искать другие строительные материалы. Около 6000 лет назад решение проблемы было найдено — из мокрой глины, перемешанной с соломой, создавались кирпичи, сушились на солнцепеке, и из этого нехитрого конструкционного материала возводились здания.
Впервые формованные и обожженные на солнце кирпичи появились в Древнем Египте — для их производства египетские строители извлекали глину со дна реки Нил. Впоследствии технология создания глиняных кирпичей была позаимствована у египтян народами Древней Персии, откуда распространилась по всей Азии, а затем, вместе с мавританскими армиями, проникла в Испанию. Именно арабские строители дали глиняному кирпичу название at-tob, спустя века измененное испанцами до adobe — в России больше известно его тюркское название «саман» [2].
В южных районах России, на Северном Кавказе и в Средней Азии, наиболее распространены домики-мазанки. Достоинства таких домов: высокая скорость строительных работ, малое количество стройматериалов и то, что работы могут выполняться непрофессиональными строителями. В некоторых регионах России исторически строили дома из тяжелого (содержащего более 10% глины) самана. Недостатки тяжелого самана и построенного из него саманного кирпича, как и достоинства, связаны с глиняными кирпичами — процесс их изготовления достаточно трудоемок.
Саманный кирпич – сырцовый кирпич проходит дополнительную обработку- высушивается на воздухе, однако не подвергается обжигу. Производится из смеси глины и измельченной соломы. Технология изготовления саманного кирпича аналогична с производством обыкновенного кирпича, хотя по размерам саманный кирпич больше. Длина – 35 см, ширина – 15 см, толщина – 10 см, вес – 8 кг. Поэтому саманные кирпичи изготовляют на месте строительства [3].
2.2. Состав и свойства глины
Глина представляет собой горную породу, очень сложную и непостоянную, как по составу входящих в неё минералов, так и по физическим, технологическим свойствам.
Является продуктом выветривания горных пород, состоит, в основном, из глинозёма (Аl 2O3) и кремнезёма (SiO2). Составная часть глины – каолинит – образуется в природе из ортоклаза под действием воды и углекислого газа:
К2О Аl2O3 6 SiO2 +CO2 + хН2О = Аl2О3 2SiO2 2Н2О + 4SiO2 +уН2О + К2СО3.
При этом вместе с каолинитом образуется поташ и кварц.
Так как глины относятся к осадочным породам, образование их связано с двумя процессами: химическим разложением исходных (материнских) пород и физическим их разрушением. В природе эти процессы происходят не обособленно, а совместно.
Важнейшими свойствами глин являются:
1) способность в смеси с водой образовывать тонкое вязкое тесто;
2) способность набухать в воде;
3) пластичность глиняного теста, т. е. способность его принимать и сохранять любую форму в сыром виде;
4) способность сохранять эту форму после высыхания с уменьшением объема;
5) клейкость;
6) связующая способность;
7) водоупорность, т. е. способность после насыщения определенным количеством воды не пропускать через себя воду [4].
Разновидности глин.
Наиболее ценным для народного хозяйства являются следующие разновидности глин: каолин – глина белого цвета. В основном он состоит из минерала каолинита. Обычно менее пластичен по сравнению с другими белыми глинами, является основным сырьем для фарфорово-фаянсовой и бумажной промышленности.
Следующей разновидностью глин являются огнеупорные глины. Для этих глин характерен белый и серо-белый цвет, иногда со слегка желтоватым оттенком. При обжиге они должны выдерживать без размягчения температуру не ниже 1580°. Основными образующими их минералами являются каолинит и гидрослюды. Пластичность их может быть различной. Используются эти глины для производства огнеупорных и фарфорово-фаянсовых изделий.
другая разновидность - кислотоупорные глины, представляющие собой смесь с небольшой примесью железа, магния, кальция и серы. Используются для химических фарфорово-фаянсовых изделий.
Формовочные глины – разновидность огнеупорных глин, обладающих повышенной пластичностью и связующей способностью. Они применяются в качестве связующего материала при изготовлении форм для металлургического литья. Иногда для этих целей применяются также тугоплавкие глины (при обжиге менее устойчивые, чем огнеупорные) и даже легкоплавкие - бентонитовые глины.
Цементные глины обладают различным цветом и разным минеральным составом. Вредной примесью является магний. Применяются эти глины для получения портланд-цемента.
Кирпичные глины – легкоплавкие, обычно со значительной примесью кварцевого песка. Их минеральный состав и цвет могут быть различными. Применяются эти глины для производства кирпича.
Бентонитовые глины. Основным образующим их минералом является монтмориллонит. Цвет их различный. Они сильно набухают в воде. Обладают более высокой отбеливающей способностью, чем другие глины. Применяются эти глины для очистки нефтепродуктов, растительных и смазочных масел, при бурении скважин, а иногда при изготовлении литейных форм.
В промышленности и технике нередко применяются и другие разновидности глин: гончарные, черепичные, сукновальные, керамические, буровые, фаянсовые, фарфоровые, капсельные, строительные, красочные и т.п. Однако эти названия практически не характеризуют особых свойств глин.
Не все разновидности глин встречаются повсеместно. Некоторые из них залегают только в отдельных районах. Между тем спрос на них очень большой, а потребители (заводы, стройки и т.д.) нередко удалены от места добычи на многие сотни и даже тысячи километров. В таких случаях дальние перевозки глины становятся неизбежными.
К наиболее редко встречающимся глинам относятся прежде всего высокосортные бентонитовые глины и все разновидности белых глин – каолины, фарфоровые, фаянсовые, огнеупорные, формовочные и кислотоупорные [5].
Месторождения глин на территории Республики Калмыкия
Почвы в Республике Калмыкия в основном светло-каштановые суглинистые и бурые суглинистые [6].
Основу минерально-сырьевой базы Республики Калмыкия составляют топливно-энергетические ресурсы (нефть, газ, конденсат), строительные материалы (песок, глина, камень-ракушечник), пресные и минеральные подземные воды, агрохимическое сырье (калийные и каменные соли, доломиты), бишофитное сырье и другие.
Объемы производства строительных материалов в Калмыкии в последнее время резко снижены и в настоящее время ведутся межреспубликанские поставки из ближайших областей. Учтено балансом 29 детально разведанных месторождений кирпичного сырья с суммарными запасами по категориям А+В+С1 - 45564 тыс. м³ и по категории С2 - 8821 тыс. м³. Освоено 8 месторождений, эксплуатировались два месторождения. Балансом запасов керамзитового сырья учтено 5 месторождений с суммарными запасами 19096 тыс. м³ по категории С2-3829 тыс. м³. Два месторождения разрабатываются (Гашунское и Аршанское), а три находятся в нераспределенном фонде [7].
В Приютненском и Целинном районах имеются несколько крупных месторождений кирпичных, керамзитовых глин, глиногипса и строительного песка [карта приложения].
3. Исследовательская часть
3.1. Результаты физико-химических методов анализа строительных глин
Опытный образец строительной глины был изъят с участка по советам местных жителей, которые примечают места с наиболее пригодной глинистой почвой. Для проведения исследований мы применили методы: отбора проб почвы по ГОСТу 26423-85; приготовления водной вытяжки из почвы; измерения рН; определения ионов в водной вытяжке.
Опыт №1.Определение внешних качеств глины.
Визуальное определение внешних качеств строительной глины: цвет, рыхлость, пластичность, влажность.
Таблица 1
Внешние характеристики глины
Проба №1
Цвет Буро-коричневый, желто-коричневый неоднородный.
Рыхлость Рыхлая
Пластичность Пластичная, без комочков, легко мнется и сворачивается в «бублик».
Влажность Очень влажная
Опыт №2. Определение кислотно-основных свойств глины
Поместить образец глины массой 25г в химический стакан на 200 – 250 мл.
Добавить в стакан 100мл дистиллированной воды и хорошо размешать.
Опустить в полученную взвесь полоску универсального индикатора.
Сравнить цвет влажной полоски с цветовым тестом на упаковке индикатора и определить рН среди водного раствора глины.
Результат: pH = 7,8 . Нейтральная, слабощелочная среда.
Опыт №3. Определение плотности глины
Определить на весах массу стеклянного стакана на 200 – 250мл (m1) в граммах.
Насыпать в стакан образец нерастертой влажной глины, уплотняя его по мере наполнения стакана (постукиванием дна стакана о ладонь) до отметки 50 или 100мл (см³).
Определить массу стаканчика с глиной (m2) в граммах.
Рассчитать массу глины по формуле m = m2 – m1.
Рассчитать плотность глины (d) по формуле d = m/V (г/см³), где V – объем глины, см³ (50 или 100) [8].
Результат: пустой стаканчик 50 см3 весил 35 г, стаканчик с глиной - 90 г. Плотность глины составляет- 1,3 г/см3(1,35; 1,15).
Опыт №4. Определение «жирности» глины
Отвесить на весах образец глины массой 25г.
Поместить навеску в химический стакан на 500мл, добавить воды до отметки 400мл и хорошо размешать стеклянной палочкой.
Наблюдать процесс осаждения частиц глины. (Обычно глина плохо смачивается водой и долго не оседает на дно, что указывает на ее гидрофобные свойства.)
Вывод: Скорость оседания глины средняя, соответственно, «жирность» - средняя.
Опыт №5. Исследование антимикробных свойств глины
Налить в два химических стакана (объемом 500мл) свежее молоко (нестерилизованное) до отметки 300 мл. Положить на дно одного из них образец влажной глины массой 5 – 10г.
Оставить оба стакана в тени и контролировать состояние молока на протяжении нескольких дней. Определить, когда появятся первые признаки скисания в каждом из образцов.
Вывод: в результате этого эксперимента я удостоверилась в высоких антимикробных свойствах глины. Молоко с образцом глины не скисало 6 суток.
Опыт №6. Определение содержания песчанистых примесей в глине
Поместить небольшое количество образца глины на предметное стекло и рассматривать глину через лупу на наличие песка и посторонних примесей.
Результат: примеси песка в данном образце глины определялись визуально - более 30%.
Таблица 2
Физико-химические свойства строительной глины села Воробьёвка:
№ опыта Антимикробные свойства, час Плот-
ность, г/см3 Жирность pH Адсорбционные свойства , час Содержание песка, %
KMnO4 1(опыт I)
144 1,3 Средняя 7,8 1 >30
1(опытII) 142 1,35 Средняя
7,5 1,3 >30
1(опытIII) 147 1,15 Средняя 7,7 0,58 >30
Средние значения 144 1.2 Средняя 7,7 1 >30
Опыт № 7. Качественное определение некоторых ионов.
Cl-
Реагенты: 5 % раствор AgNO3; азотная кислота (1 н).
Выполнение анализа: к 10 мл пробы раствора глины прибавить 3—4 капли азотной кислоты и прилить 0,5 мл раствора нитрата серебра. Белый осадок выпадает при концентрации хлорид — ионов более 100 мг/л:
Cl- + Ag+ = AgCl↓
осадок белого цвета
Слабое помутнение растворов всех образцове указывает, что хлорид — ионов более 1 мг/л.
SO42-
Реагенты: 10 % BaCl2; 8 % HCl (ρ=1,19 г/см3).
Выполнение анализа: к 10 мл пробы раствора глины прибавить 2—3 капли соляной кислоты и прилить 0,5 мл раствора хлорида бария. При концентрации сульфат — ионов более 100 мг/л выпадает осадок:
SO42- + Ba2+ = BaSO4↓
осадок белого цвета
Результат: наблюдается опалесценция, значит концентрация сульфат-ионов более 1 мг/л.
Fe3+
Реагенты: 20 % КCNS; азотная кислота (конц.); 5 % H2O2.
Условия проведения реакции: H2O2 необходим для окисления Fe (II) до Fe (III).
Выполнение анализа: к 10 мл пробы раствора глины прибавить 1 каплю азотной кислоты, затем 2—3 капли пероксида водорода и добавить 0,5 мл KCNS. При концентрации ионов железа более 2,0 мг/л появляется розовое окрашивание, при концентрации более 10 мг/л окрашивание становится красным:
Fe2+ + 3CNS- = Fe(CNS)3↓
осадок красного цвета
Результат: появляется розовое окрашивание, указывая, что концентрация ионов железа более 2,0 мг/л
Pb2+
Реагент: хромат калия (10 г К2CrO4 растворить в 90 мл Н2О).
Выполнение анализа. В пробирку поместить 10 мл пробы глины, прибавить 1 мл раствора реагента. Если выпадает жёлтый осадок, то содержание катионов свинца более 100 мг/л:
Pb2+ + CrO42- = PbCrO4↓
осадок желтого цвета
Если наблюдается помутнение раствора, то концентрация катионов свинца более 20 мл/л, а опалесценции — 0,1 мг/л.
Результат: слабая опалесценция – 0,1 мг/л.
Таблица 3
Результаты качественных методов анализа строительной глины
Cl- SO42 Fe3+ Pb2+
1(опыт I)
>1 мг/л >1 мг/л >2,0 мг/л <0,1 мг/л
1(опытII) >1 мг/л >1 мг/л >2,0 мг/л <0,1 мг/л
1(опытIII) >1 мг/л >1 мг/л >2,0 мг/л <0,1 мг/л
4. Выводы и заключение:
В результате проведенных исследований выяснилось, что глина издавна используется человеком для строительства домов и сооружений. Широкое использование построек из саманного кирпича в южных районах России обусловлено несколькими причинами: почвы в нашем селе относятся к светло-каштановым суглинистым и к бурым суглинистым. Большинство жилых построек в селе Воробьёвка Приютненского района производилось в середине XX века, когда послевоенная страна активно строилась и восстанавливалась. Выходцы из Украины, которые составляют в настоящее время основу населения поселка, использовали дешевый, доступный и экологичный строительный материал – саман.
Содержание так называемой эксплуатационной влажности в сухих саманных стенах такая же, как и в кирпичных стенах. Опыт эксплуатации саманных построек, включая одноэтажные индивидуальные дома, показал, что они обеспечивают прочность сооружений и хороший температурно-влажностный режим. Сухие саманные стены тепло держат так же хорошо как и кирпичные, а естественная вентиляция в них даже немного лучше, так как саманный кирпич имеет большие поры, чем обожженный красный кирпич.
По результатам визуального анализа строительной глины села Воробьёвки цвет глины - буро-коричневый, желто-коричневый и неоднородный; консистенция - рыхлая, влажная, пластичная. По антимикробным свойствам местные образцы строительной глины села Воробьёвки отличаются высокими значениями - 144 часа. По жирности глина средняя, поэтому местные жители села при строительстве домов из саманного кирпича добавляли в строительную смесь помимо соломы конский навоз, который повышает жирность глины и увеличивает пластичность. Плотность в среднем 1,2 г/см3. pH глины – нейтральная, слабощелочная. По адсорбционным свойствам местные сорта глины отличаются высокими значениями. Содержание песка >30%.
Качественное определение некоторых ионов в глине показало, что содержание хлоридов >1 мг/л, сульфатов >1мг/л, ионов железа >2 мл/л, а ионов свинца <0,1 мг/л. Все эти данные говорят о том, что образцы строительной глины села Воробьёвки обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Высокое содержание связывающих, скрепляющих веществ обеспечивает пригодность использования данного образца строительной глины для изготовления саманных блоков. Низкое содержание ионов свинца подтверждает лечебные свойства строительной глины.
По результатам исследования были составлены следующие рекомендации:
- свойства глины позволяют применять её для производства строительных материалов, в частности, саманного кирпича;
- экологичность, доступность, дешевизна самана являются факторами дальнейшего применения его при строительстве жилых домов;
- пластичность глины даёт возможности для развития гончарного производства;
- антимикробные свойства глины указывают на возможность использования её в медицинских целях, но этот аспект требует дополнительных исследований и обоснований.
Список использованных источников информации и литературы:
http://www.u-center.info/libraryschoolboy/researchsoil/rabota-8-050http://www.rmnt.ru/story/house/441695.htmhttp://mainstro.ru/articles/material/stroit-mat/saman/saman_577.htmlГлины, их минералогия, свойства и практическое значение. М., Наука. 1970.
Соколов В.Н. Глинистые породы и их свойства. /НАУКИ О ЗЕМЛЕ – 2000. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
http://www.agrien.ru/reg/%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%BC%D1%8B%D0%BA%D0%B8%D1%8F.htmlhttp://www.protown.ru/russia/obl/articles/3438.htmlhttp://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/viewlink/41414.htmlhttp://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchhttp://go.mail.ru/search_imagesПриложения
Тектоническая карта РК и полезные ископаемые
Традиционный украинский домик [10]
Дом из саманного кирпича в с. Воробьёвка
Пластичность глины
Определение рH глины
Определение плотности глины
Определение «жирности» строительной глины
Качественные методы анализа
Определение адсорбционной способности глины и ионов железа