Исследование свойств глины в пойме реки Ворона в окрестностях г. Борисоглебска

Хлыстун М.К. 1

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования Борисоглебский центр внешкольной работы Борисоглебского городского округа структурное подразделение «Учебно-исследовательский экологический центр им. Е. Н. Павловского»

Святодух Н.Ю. 1

Работа в формате PDF

3.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьника Свидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Летом 2022 г. на дне реки Ворона мною был обнаружен фрагмент древней керамики (приложение рис.6). За разъяснениями мы обратились к директору Борисоглебского историко-художественного музея Апалькову Ю.А., который рассказал, что данный фрагмент керамики по ряду признаков можно отнести к катакомбной культуре (приблизительно 2000-1250 гг. до н.э.). Мы решили узнать об уникальных свойствах глины, которые сохраняют ее в веках в виде изделий.

Глина – пластичный природный материал, применяемый в строительстве, народных промыслах, лечении и оздоровлении организма и в других сферах жизни человека. Именно такое широкое применение обуславливают определенные качества и свойства глины. А на свойства глины во многом влияет ее состав (приложение 1) [2].

Важным свойством глины является ее отношение к обжигу и вообще к повышенной температуре: если замоченная глина на воздухе твердеет, высыхает и легко стирается в порошок, не претерпев при этом никаких внутренних изменений, то при высокой температуре происходят химические процессы и состав вещества меняется [2].

Первая удачная попытка к разъяснению минералогического строения глин в связи с их химическим составом принадлежит известному датскому геологу Форхгаммеру и относится к 1835 году. Но данный метод отличался сложностью и требовал массу труда и времени. Только с 1876 – 1878 года начинается усиленная и плодотворная разработка метода, предложенного Форхгаммером. Доктор Аронон и проф. Зегер применяли новый метод в самых разнообразных случаях не только при оценке качеств глин, но в особенности применительно к технике керамических производств [3].

Для керамики более всего подходит гончарная, или горшечная, глина, которая очень пластична и в смеси с водой образует тягучую массу. Цвет ее бывает разным, обычно очень интенсивным, при обжиге она сохраняет свою окраску, почти всегда содержит железо и известь.

Обыкновенная гончарная глина встречается буквально всюду, кроме того, в одной и той же местности можно обнаружить несколько ее разновидностей. В сухом виде она представляет собой твердую, плотную и шероховатую массу, которая в смеси с водой становится липкой, пластичной, с характерным запахом [7].

На территории Центрально Черноземного района керамические глины являются ценным и одновременно дефицитным сырьем [1].

Глины разновозрастных месторождений отличаются по условиям образования, вещественному составу и качеству. Поэтому вопрос о минерагеническом районировании керамических глин является актуальным [1].

Есть несколько месторождений: у южной границы, на севере Воронежской области, расположено хорошо изученное Латненское месторождение огнеупорных глин, которое может служить эталоном при исследованиях глинистого сырья [6].

Цель: Исследовать физико-химические свойства образцов речной глины, и узнать какие из них подходят для изготовления и обжига изделий.

Задачи:

1. Найти места залегания глины для взятия образцов.

2. Исследовать и сравнить свойства образцов глин.

3. Узнать, какие образцы глины подходят для изготовления глиняных изделий.

Материалы и методы исследования

1. Определив район поисков, прежде всего надо опросить местных жителей, которые могут сообщить весьма ценные сведения о залегании глин в данном районе. Затем используются внешние признаки, указывающие на наличие месторождений глин: заболоченность района; обилие ручьев и родников по берегам рек и оврагам. Все эти признаки связаны с водонепроницаемостью глины. Они указывают на залегание ее неподалеку от поверхности. Обнаружить залежи глины легче всего по обнажению горных пород в обрывах и по берегам рек [4].

Обнаружив залежи, взяли небольшой кусок породы и слегка размяли между пальцами. Порода не рассыпалась на отдельные зёрна, как это бывает с песком, прилипала к коже и, легко поддаваясь даже слабому нажиму руки, принимала и сохраняла приданную ей форму. Пластичность и податливость глины резко отличают ее от других осадочных пород[5].

Отбор проб был произведен 10 июля 2022года с четырех участков: три пробы на обрывистом берегу реки Ворона, а четвертая была взята с коряги на дне реки (рис.9).

Отбор проб в обнажениях производился «бороздовым методом», который заключается в выемке некоторого количества породы поперек пласта. На предварительно зачищенном месте через весь пласт сверху донизу сделали лопатой два параллельных надреза глубиной около 20 см каждый, на расстоянии 10 см друг от друга. Из намеченного участка вырезали кусок глины в форме четырехгранной призмы (приложение 2. рис.7,8.) [3].

Проба составляла около 1 кг. Ее упаковали в пакет и пронумеровали. В пакет положили записку с указанием даты и места, из которого она была взята.

2. Для исследования свойств глины использовали следующее оборудование и реактивы: весы электронные; керамическая чашечка; воронка; ступка фарфоровая; пестик; сито; вата; сухое горючее и спички; мерные цилиндры; линейка; стеклянные палочки; лабораторная воронка; банка 800мл; химический стакан 200мл; 100мл; 50мл; растворы KMnO4; универсальная индикаторная бумага.

Были проведены, следующие опыты для определения свойств глины:

Исследование адсорбционных свойств глины.

Определение содержания песчанистых примесей в глине.

Определение «жирности» глины.

Определение плотности глины.

Определение кислотно-основных свойств глины.

Методика проведения данных опытов описана в статье Волкова В.Н., Давтян М.Л., Волковой Л.А. «Определение химического состава местных глин».

3. Для изучения свойств глины, которые должны присутствовать при изготовлении изделия использовали внешние признаки (не липнет к рукам, нет лишних примесей).

Для того чтобы оценить пластичности глины и рабочих качеств того или иного сорта глины использовали рекомендации из статей о гончарном деле [7].

Сушка и обжиг глины производили с помощью методики описанной в выше указанных статьях.

Результаты исследования

1. Исследование проводилось с 10 по 20 июля 2022г. Отбор проб был произведен в окрестностях г. Борисоглебска. Были обследованы берега реки Ворона (приложение 1 рис.5). Мы обнаружили, что здесь залежи глины выступают над кромкой воды (рис. 1).

Рис. 1. Расположение слоёв на участках (ориг.)

Проба глины с участка №1 была взята под крутым берегом у самой кромки воды. Берег покрыт травянистой растительностью и кустарником (рис.2).

Рис. 2. Участок №1 (фото автора)

Проба с участока №2 также была взята под крутым берегом на котором произрастал дуб обыкновенный и травянистые растения (рис. 3).

Рис. 3. Участок №2 (фото автора)

Проба на участке № 3 была взята почти в воде. Основной массив глины проходил по дну. Берег был покрыт редким кустарником и травянистой растительностью (рис.4).

Рис. 4. Участок№ 3 (фото автора)

Участок № 4 находился ниже всего по течению, и глина была взята с коряги, которую вероятно принесло потоком реки (рис.5).

Рис.5. Участок №4 (фото Хлыстун К.)

2. Исследование свойств глины

Исследовали внешний вид глины (Рис.10.)

Опыт 1. Исследование адсорбционных свойств глины

1. Каждый образец подсушенной глины массой 10 г поместили в ступку и тщательно измельчили его. (Приложение 3. Рис.11.)

2. Поместили измельченные образцы в духовку и прокалили при температуре 120°C - 150°C в течение 10-12 минут для увеличения поглотительной способности.

3. Просеяли прокаленные образцы через крупное сито.

4. В лабораторную воронку поместили кусочек ваты и насыпали слой глины высотой 0,5 см. Слегка утрамбовали глину.

6. Налили в воронку небольшими порциями раствор перманганата калия (бледно-розового цвета) и дождались, когда фильтрат соберется в стакане.

7. Сравнили цвет фильтрата с цветом исходного раствора перманганата калия. Если фильтрат окрашен, повторили опыт, увеличив высоту слоя глины в воронке. Если фильтрат бесцветен – повторили опыт, уменьшив высоту слоя глины в воронке. (Рис.12.)

8. Повторяли действия в п.7 вплоть до определения минимальной высоты слоя глины, достаточной для полного обесцвечивания раствора KMnO4. Результат (высоту слоя) записать в таблицу 1.

Опыт 2. Определение содержания песчанистых примесей в глине

1. Отвесили на весах образцы глины массой по 20 г и поместили их в банки на 800 мл. (Рис.13,)

2. Добавили в банку 200 мл воды, размешали и дали отстояться 5 минут.

3. Слили с осевшего песка мутную жидкость.

4. Повторяли эти действия до тех пор, пока сливаемая жидкость не стала почти прозрачной.

5. Отфильтровали осевший песок и прокалили в выпарительной чашечке на горелке с сухим горючим. (Рис.14.15.)

6. Рассчитали содержание песчанистых примесей в образце глины по формуле: Спеска = [m(песка)*100%]/ m(глины).

7. Результат записали в таблицу 1.

Опыт 3. Определение «жирности» глины

1. Отвесили на весах образцы глины массой по 25 г.

2. Поместили навески в банку на 800 мл, добавили воды 400 мл и хорошо размешали стеклянной палочкой.

3. Наблюдали процесс осаждения частиц глины. (Рис.16.)

4. Для качественной оценки «жирности» мы сравнили образцы между собой. «Жирные» глины оседают медленно, «тощие» - быстро. Результат оценки записали в таблицу 1.

Опыт 4. Определение плотности глины

1. Определили на весах массу стеклянного стакана мл (m1) в граммах.

2. Насыпали в стакан образец не растёртой влажной глины, уплотняя его по мере наполнения стакана, до отметки 50 мл (см3).(Рис.17.)

3. Определили массу стаканчика с глиной (m2) в граммах.

4. Рассчитали массу глины по формуле m = m2 - m1

5. Рассчитали плотность глины (d) по формуле d = m/V (г/см3), где V ‑ объем глины, см3. Результат записали в таблицу 1.

Опыт 5. Определение кислотно-основных свойств глины

1. Поместили образцы глины массой по 20 г в химический стакан на 200 мл.

2. Добавили в стакан 100 мл дистиллированной воды и хорошо размешали. (приложение, рис.18.)

3. Поместили в полученную взвесь полоску универсального индикатора.

4. Сравнили цвет влажной полоски с цветовым тестом на упаковке индикатора и определили рН среды водного раствора глины. Результат записали в таблицу 1

Таблица 1

Физико-химические свойства речных глин р. Ворона

№ образца	Внешний вид глины	Плотность г/см3	Жирность	pH кислотно-основные св-ва	Адсорбционные св-ва (см)	Содержание песчаных примесей %
1	Голубая	1.94	тощая	7	0.8	64 %
2	Бурая	1.91	жирная	7	2.0	79.5 %
3	Серо-голубая	1.84	тощая	7	0.4	81.5 %
4	Светло-коричневая	1.97	жирная	6	0.8	52 %

Примечание. Глины с высокой пластичностью называются «жирными», так как в намоченном состоянии дают осязательное ощущение жирного вещества. Глины малопластичные или непластичные называются «тощими»

Проанализировав полученные данные выяснили, что лучшими сорбентами оказались светлые глины (образцы №1, №3. и №4). В бурой глине адсорбция прошла хуже.

Наибольшее количество песчаных примесей содержится в образце № 3. Он имеет и наименьшую плотность. Наименьшее количество песчаных примесей содержится в образце №4, и он обладает наибольшей плотностью.

Образцы № 1 и № 3 оказались «тощие», они осаждались быстро, а №2 и №4 – «жирные» они оседали медленно.

Анализ рН у большинства образцов показал нейтральную среду. Только образец № оказался слабокислым, вероятно из-за присутствия других примесей, так как был взят со дна реки.

3. Для того, чтобы узнать какие образцы глины подходят для изготовления глиняных изделий проверили глину на пластичность. Для этого надо скатать небольшие жгутики толщиной примерно 1 см. и согнуть их, далее смотреть на сколько потрескалась глина на месте изгиба (Приложение 4, рис. 20). Результаты занесли в таблицу 2.

Из каждого образца изготовили одинаковые изделия «колокольчики». Поставили на сушку в место без сквозняков и прямого попадания солнечных лучей при комнатной температуре на 10 дней (рис.21.22.)

Поставили на сушку в муфельную печь при температуре в 200°C на 2 часа, затем подняли до 1100°C градусов и удерживали её в течении 1 часа. (рис.23.) Затем выключили и подождали пока изделия остынут до 100°C. Результаты занесены в таблицу 2.(рис. 24.)

Таблица 2

Результаты оценки образцов глины на пригодность для изготовления керамических изделий

№	Пластичность	Лепка и сушка	Вид после обжига
1	Растрескалась	Слегка потрескалась	Приобрёл терракотовый цвет, сохранил форму, при обжиге не дал трещин.
2	Не растрескалась	Не потрескалась	Приобрёл терракотовый цвет, Сохранил форму, при обжиге не дал трещин.
3	Слегка растрескалась	Слегка потрескалась	Приобрёл терракотовый цвет, развалился на части.
4	Не растрескалась	Слегка потрескалась	Приобрёл терракотовый цвет, сохранил форму, при обжиге не дал трещин.

Примечание. Название образцов указаны в таблице 1.

Образцы №1, 2 и 4 оказались наиболее пригодными для обжига, но только образец № 2 не потрескался при лепке и сушке.

Выводы

1. В окрестностях г. Борисоглебска по берегам реки Ворона были обнаружены 4 участка с разными видами глин. 4 образец был взят со дна реки. Все образцы имеют разную окраску.

2. Из четырех образцов 2 (голубая и серо-голубая) оказались жирными, а 2 (бурая и светло-коричневая) – тощими.

Самыми плохими адсорбционными свойствами обладает бурая глина.

3. Не вся глина подходит для изготовления и обжига изделий. Например, серо-голубая глина, т.к. она больше всего содержала песчаных примесей.

Среди наших образцов для изготовления керамических изделий подходит только бурая глина, т.к. обладает достаточной пластичностью и не трескается при сушке и обжиге.

Заключение

В ходе исследования была обнаружена глина пригодная для изготовления изделий. Это уникальная голубую (кембрийскую глину), которая пригодна не только для изготовления керамических изделий, но и обладает лечебными свойствами. Эта глина сформировалась 530-600 млн. лет назад, и только в нескольких местах на нашей планете залегает близко к земной поверхности. И может быть наши далекие предки тоже, как и мы, использовали глину практически во всех сферах и областях жизни.

В ходе исследования мы не нашли месторождение глины с участка №4 и поэтому я планирую продолжить исследование, чтобы побольше узнать о природных богатствах моего края.

За помощь и консультацию по выбранной теме благодарю директора историко-художественного музея Апалькова Ю.А. и моего педагога Святодух Надежду Юрьевну.

Литература

Крайнов А.В. Геология и минерагения керамических и огнеупорных глин аптского яруса Воронежской антеклизы. Дис. каб. наук. – Москва 2016. 27 с.

Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС. 2013. 576 с.

Сабек А.Э. Рациональный анализ глин / Известия Томского Института Императора Николая IIT. XXII 1911г. №2.

Волков В.Н., Давтян М.Л., Волкова Л.А. Определение химического состава местных глин. Химия в школе № 3. 2006. С. 63-66.

Методические указания к лабораторным работам по курсу “Материаловедение” (для студентов специальности 7.090306 «Бурение») / Сост.: А.Н.Рязанов, И.А.Юшков, Донецк: ДонНТУ, 2002. – 15 с.

Глина (полезное ископаемое): виды, свойства и применение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: (01.11.2022).

Глина огнеупорная. СибЭнерго. Иркутск. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.sibenergotorg.ru/articles/25590 (10.10.2022).

Как искать месторождения глин [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://catalogmineralov.ru/cont/126.html

Крайнов А.В., Мануковский С.В. Минерагеническое районирование керамических глин Воронежской антеклизы https://journals.vsu.ru/geology/article/view/2515/2431 (01.11.2022).

Свойства и разновидности глин и керамических масс. Пластичность, усадка, дисперсность. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://goncharnoe-delo.ru/blog/2018/11/15/svojstva-i-raznovidnosti-glin-i-keramicheskix-mass-plastichnost-usadka-dispersnost/ (15.07.2022г.).

Приложения

Приложение 1

Места исследования

М 1: 10000

Условные обозначения:

- Места сбора глины.

Рис. 1. Карта исследуемых участков

Приложение 2

Рис. 2. Фрагмент сосуда катакомбной культуры. Найден в реке Ворона окрестности г.Борисоглебска. (фото автора)

Основные этапы работы

Рис.3. Отбор проб. (фото автора) Рис. 4. Оразец голубой глины.

Рис. 5. Взятие глины с коряги со дна реки Ворона.