Bentoniet
Structuur en samenstelling
Commercieel bentoniet bestaat voornamelijk uit het kleimineraal montmorilloniet (dat tot de smectietgroep behoort) samen met andere soorten smectiet en andere mineralen (veldspaat, kwarts, enz.). De classificatie is samengevat in figuur 21.
[ link ]
Figuur 21. Classificatie van silicaten en bentonieten (bron: [80])
De fysische eigenschappen en kenmerken van bentoniet worden bepaald door het montmorilloniet (Wright, 1968). In de meeste gevallen worden bentonieten gevormd door de verandering van vulkanische as en rotsen na intens contact met water.
In de natuur zijn bentonieten met calcium (en soms magnesium) als het dominante uitwisselbare ion het meest aanwezig. Natuurlijk voorkomende natriumbentonieten zijn zeldzaam en worden gevonden op specifieke wereldwijde locaties, b.v. Wyoming in Noord-Amerika.
De commerciële bentonieten beschikbaar voor steunvloeistoffen zijn:
- Natriumbentonieten (natuurlijk of geactiveerd): Geactiveerde natriumbentonieten zijn Ca- of Mg-bentonieten die zijn bewerkt met natriumcarbonaat om de Ca++- of Mg++-kationen met Na+-ionen uit te wisselen . Na modificatie gedragen deze bentonieten zich als natriumbentonieten met een hoog zwel- en geleergedrag.
- Bentoniet gemodificeerd door polymeren: Toevoeging van polymeren of gommen om een beter reologisch en filtratiegedrag of een hogere stabiliteit in verontreinigde grondomstandigheden te bieden.
[ link ]
Figuur 22. Hydratatieproces van bentoniet (bron: [80])
Colloïdale eigenschappen van bentonieten
De belangrijkste eigenschap is de zwelling bij contact met water en de vorming van een stabiele colloïdale suspensie. Dit gebeurt door de toenemende opname van water en hydratatie van de ionen in de smectiet tussenlagen resulterend in een geleidelijke verbreding van de tussenlaagruimte. Afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid water kunnen twee tot vier moleculaire waterlagen fysisch worden gebonden tussen de kleiplaatjes.
Het volume van de kleimineralen kan zo toenemen tot vele malen t.o.v. het oorspronkelijke volume.
Specifiek in aanwezigheid van Na+ kan een volledige dispersie in geïsoleerde lagen of dunne pakketten van enkele lagen worden bereikt in water . Dan wordt gesproken van een colloïdale suspensie, dus met opgeloste deeltjes van colloïdale afmetingen.
Klei minerale dispersies vertonen geen Newtoniaans gedrag, maar vertonen eerder plastisch stromingsgedrag (zie figuur 26). Het plastische stromingsgedrag wordt gekenmerkt door het optreden van een zwichtspanning (Kelessidis, 2017). In het geval van bentonietsuspensies wordt de evenredigheid tussen schuifspanning en schuifsnelheid typisch alleen bereikt bij hoge schuifsnelheden of helemaal niet.
Het stromingsgedrag van bentonietvloeistoffen na menging met water is tijdsafhankelijk, mede bepaald door de intrinsieke eigenschappen van het bentoniet en de gebruikte mengenergie. Sommige bentonieten bereiken de maximale viscositeit binnen enkele minuten na het mengen en andere vereisen enkele uren of zelfs dagen (Figuur 22).
Natriumbentoniet of geactiveerde bentoniet beschikt over de gewenste eigenschappen genoemd onder de punten 1 t/m 4 in 5.3.1. De mate waarin verschilt per herkomst en leverancier.
Stabiliserende werking
Een dosering van slechts enkele gewichtsprocenten vaste stof geeft de suspensie goede thixotrope eigenschappen. Hiertoe is 3,5% tot 5% bentoniet benodigd. Het volumegewicht bedraagt dan 10,20 tot 10,35 kN/m3.
Door de thixotrope eigenschap stijft het mengsel op als de suspensie tot rust komt. In colloïde oplossing gaan de kleiplaatjes als het ware een kaartenhuisstructuur bouwen. In grofkorrelige grond dringt bentoniet wel in de bodem, waardoor zich geen cake kan vormen. Dit kan enigszins worden voorkomen door de bentonietconcentratie te verhogen, waardoor de viscositeit en thixotropie toenemen.
In het geval van zeer grofkorrelige grond moeten toeslagstoffen, zoals bijv. micaschubben of notenbast, worden bijgemengd om de opbouw van de cake mogelijk te maken zonder grote verliezen van de steunvloeistof.
Praktische overwegingen bij gebruik van Bentoniet
- Voor de mengfase is een kapitaal intensieve en ruimte gebruikende installatie nodig. Deze bentonietcentrale op het werkterrein bestaat uit een of meerdere silo’s, mengers, rijpingsbassins en voorraadbassins;
- Door het stabiele gedrag en zeer goede waterbindende eigenschappen zorgt een zeer klein gehalte aan bentoniet het teruggewonnen zand middels ontzanding voor geringere sterkte-eigenschappen en een grotere gevoeligheid voor wateroverspanningen;
- Aan gedrag van bentoniet worden tijdens het storten van beton aanvullende eisen gesteld. Hiervoor moet de inhoud van de sleuf worden ontzand en/of worden ververst;
Bentonietsuspensie is moeilijk te ontwateren en daarmee is de afvoer of hergebruik relatief lastig en kostbaar. De afvoer van bentonietspoeling is namelijk in toenemende mate een afvalstoffenprobleem. Bentoniet is weliswaar geen verontreinigend materiaal, maar vloeistoffen en suspensies mogen niet naar een reguliere stortplaats worden afgevoerd. Door zijn goede waterbindende eigenschappen is het terugbrengen naar een vaste toestand echter kostbaar. M.n. in zandgronden is de verversingsgraad van bentoniet dermate hoog dat er relatief weinig van de voorraad hoeft te worden afgekeurd tijdens een project. De totale afvalstroom is daarmee beperkt en de totale kosten hiervan (nog) niet significant.