Eigenschaften der bayerischen Bentonite

Bentonit setzt sich als Aluminiumsilikat im Wesentlichen aus Silizium- und Aluminiumatomen zusammen. Er gehört zu den sogenannten Dreischichtsilikaten, wobei die mittlere Schicht vorzugsweise aus Aluminiumionen gebildet wird, die oktaedrisch von Sauerstoffionen umgeben ist. Zwei Drittel der insgesamt zur Verfügung stehenden Oktaederplätze werden durch Aluminiumionen besetzt. Die verbleibenden oben und unten liegenden Schichten werden durch Siliziumionen gebildet, die tetaedrisch ebenfalls von Sauerstoffionen koordiniert sind.

Durch die isomorphe Substitution eines geringen Anteils der dreiwertigen Oktaederkationen durch zweiwertige Kationen, wie z. B. Magnesium, entsteht ein Ladungsdeffekt, der dazu führt, dass die einzelnen Silikatschichten negativ geladen sind. Im Kristallverband werden diese negativen Schichtladungen durch den Einbau von sogenannten Zwischenschichtkationen kompensiert. Diese Zwischenschichtkationen können entweder einwertige Natriumionen oder auch zweiwertige Kalzium- oder Magnesiumionen sein.

Die bayerischen Bentonite sind vorwiegend Erdalkali-Bentonite mit austauschfähig gebundenen Kalzium- und Magnesiumionen. Sie sind heterogen und wechseln in der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung, in der Farbe, der Konsistenz und vor allem in der Mächtigkeit der technisch nutzbaren Schichten. Die Färbung der Bentonite ist sehr unterschiedlich. Die Farbtöne reichen von creme bis ocker und rotbraun sowie von grünlich bis dunkelblau. Auf die Bentonitqualität haben diese unterschiedlichen Färbungen meist keinen Einfluss.

Auf Grund der Schichtstruktur sind Montmorillonitkristalle plättchenförmig aufgebaut. Die Dicke dieser Kristallitblättchen liegt bei einem Nanometer, d.h., einem tausendstel Millimeter. Der Durchmesser der Plättchen kann zwischen 100 und 800 nm schwanken. Die schichtförmige Struktur von Bentonit bzw. Montmorillonit veranschaulicht die oben stehende elektronenmikroskopische Aufnahme. Bemerkenswert sind die geringe Dicke, die Biegsamkeit und die große Oberfläche der Montmorillonitkristalle.

Der Montmorillonitkristall ist aus vielen Schichtpaketen zusammengesetzt. In Anwesenheit von Wasser quillt er auf, d.h. es lagern sich zwischen die einzelnen Schichtpakete Wassermoleküle ein. Der Schichtabstand zwischen zwei isolierten Montmorillonitlamellen wächst dadurch z. B. beim Ca-Montmorillonit auf das Doppelte.

Verantwortlich für die außergewöhnlich gute Quellbarkeit von Montmorillonit in Wasser sind die Zwischenschichtkationen. Diese haben bei Anwesenheit von Wasser das Bestreben, sich zu hydratisieren. Die Folge ist, dass Wasser zwischen die Schichtsilikaten eingelagert wird, wodurch sich der Schichtabstand erweitert. Sogleich wird aber die Bindekraft zwischen den einzelnen Schichtpaketen geringer, so dass die Schichten auch gegeneinander eine gewisse Beweglichkeit erhalten. Der Kristall ist also kein starres Gebilde mehr, sobald er Wasser eingelagert hat. Ist genügend Wasser vorhanden, kann dies dazu führen, dass sich die einzelnen Schichten vollständig voneinander separieren.

Bentonit kann in dieser Form die Viskosität von wässrigen Lösungen sehr nachhaltig beeinflussen, was für viele technische Anwendungen des Bentonits von großer Bedeutung ist. Durch schwache Wechselwirkung zwischen den einzelnen isolierten Schichtsilikaten im umgebenden Wassermedium werden sogenannte thixotrope Gele gebildet. Im Rohzustand zeigen diese Gele elastische Festkörpereigenschaften und weisen eine Fließgrenze mit quasi unendlich hoher Viskosität auf. Werden diese Gele aber mechanisch beansprucht, (z. B. durch Schütteln, Rühren usw.), bricht die sogenannte Kartenhausstruktur der Gele zusammen und die Viskosität sinkt um mehrere Größenordnungen ab. Dieses thixotrope Fließverhalten von wässrigen Bentonitdispensionen wird bei rheologischen Anwendungen und bei Bau- und Bohranwendungen direkt ausgenutzt.