Kil mineralleri, çok karmaşık bir yapı gösterdiklerinden dolayı günümüze kadar herkes tarafından kabul edilmiş bir sınıflandırma sistemi mevcut değildir. Çünkü kil mineralinin sınıflandırılmasında; tabakalanma (tabaka kalınlığı, tabakaların ara mesafesi, vb.), iyon içeriği (tabakalar arasındaki diğer organik veya inorganik minerallerin varlığı, cinsi, miktarıi vb.) tabakaların dizilişi ve düzeni olmak üzere farklı özellikler göz önüne alınabilmektadir. Fakat kil mineralinin mühendislik özellikleri (su tutma/emme kabiliyeti, sıkışabilirlik, şişme-büzülme potansiyeli vb.) açısından tabakaların dizilişi ve diziliş düzeni yönünden sınıflandırmaya tabi tutmak genel kabul göstermektedir. Kil mineralleri içeren zeminlerin en belirgin özellikleri dane çaplarının çok küçük olması ve su ile temas halinde olduklarında çamur haline gelmesidir. Killi zeminlerin suya olan eğilimleri içermiş oldukları kil mineralinin miktarı ve türüne bağlıdır. Büyük oranda kaolinit mineralleri içeren killi zeminlerin
suya eğilimleri az olup bu zeminler su ile karşılaştıklarında stabilitelerini kaybetmezler. Fakat içeriğinde büyük oranda montmorillonit minerali içeren killi zeminlerin suya karşı çok hassas olup su ile karşılaştıklarında büyük oranda hacim değişimlerine maruz kalırlar. Kil minerallerinin özgül yüzeyi, kil minerallerinin tane büyüklükleri ile ters orantılıdır. Kil içeren zeminlerin hacim değiştirme özelliği minerallerin özgül yüzeylerinin büyüklüğü ile orantılıdır. Kil zeminlerin içerdiği oktahedral tabakadaki bazı magnezyum iyonları veya tetrahedral tabakadaki bazı silis iyonlarının aluminyum katiyonları ile izomorf yer değiştirmesi durumunda mineral yüzeylerinde net elektrik yük oluşmaktadır. Oktahedral tabakadaki hidroksil iyonlarının kil yüzeylerinden ayrılması ise elektrik yük dengesizliğine neden olmaktadır. Bu durumdaki kil mineralleri bu dengesizliği giderebilmesi için su ve katiyonlara istek duymaktadır. Kil tanelerinin negatif yüklenmesi durumunda oluşan yük dengesizliğini giderebilmek için gerekli katiyon miktarı ise katiyon değiştirme kapasitesi olarak tanımlanmaktadır. Kıvam limitleri yüksek olan kil minerallerinin katiyon değiştirme kapasiteleri de yüksek olmaktadır. Katiyon değiştirme kapasitesinin belirlenmesi bakımından çok önemlidir. Kil minerallerinin üzerindeki negatif elektron şarjları, tabakalar arası bağ kuvvetlerini ve katyon değiştirme kapasitesini dolayısıyla kilin şişme potansiyelini arttırmaktadır. Kaolinit, kil mineralleri arasında en düşük şişme kapasitesine sahip kil mineralidir. Đllit minerali %15 şişme yüzdesine sahip olup monmorillonit mineralinin şişme yüzdesi ise %60-100 arasındadır. Zemin mühendisliği bakımından önemli olan kil mineralinin özellikleri Tablo 2.1. de verilmektedir.
Tablo 2.1. Kil Minerallerinin Özellikleri
Özellik Kaolinit Đllit Montmorillonit
Büyüklük (mm) 100-5000 100-2000 10-1000
Kalınlık (mm) 50-2000 30 3
Özgül yüzey (m2/g) 5-20 100-200 700-800
Kohezyon Düşük Orta Yüksek
Hacim değiştirme özelliği Düşük Orta Yüksek Katiyon değiştirme kapasitesi
(cmol/kg)
Tablo 2.1 den görüldüğü üzere kil mineralinin özgül yüzeyleri büyük olup su tutma kapasiteleri de fazladır. Killi bir zeminin şişme kapasitesi, zemin içerisindeki kil mineralinin miktarı ve tipine, kil partiküllerinin yüzey alanlarına ve partikülleri çevreleyen zemin suyunun kimyasına bağlıdır. Montmorillonit mineralini yüksek oranda içeren zeminler hacim değişimine eğilimleri çok yüksek olup bu minerali içeren zeminleri inşaat malzemesi olarak kullanılmaması gerekmektedir [10].
Killerin küçük partikül çapı ve levha benzeri şekli nedeniyle, yüzey alanının kütleye oranı diğer zeminlerdekinden hayli büyüktür. Bu oran özgül yüzey olarak bilinir. Örneğin, montmorillonitin özgül yüzey alanı yaklaşık 800m2/gr’dır. Bu değer bu kilin 3,5 gramının bir futbol sahasının alanına eşit bir yüzey alanına eşit olduğu anlamına gelir.
Killerin büyük özgül yüzeyi, partiküller arasında daha çok temas alanı ve böylece çeşitli partiküller arası kuvvetlerin gelişmesi için daha fazla fırsat sağlar. Ayrıca, su moleküllerin bağlanması için daha fazla yer sağlar. Bu yolla, killere suyu içine çekmesi için çok büyük eğilim kazandırır. Bazı killer birim ağırlıklarının birkaç katı kadar suyu kolayca içine çekebilir. Özgül yüzeyi en büyük kil minerali montmorilonitdir. Bu yüzden, suya karşı en büyük eğilime sahip olmaları sürpriz değildir. Su ve kil mineralleri arasındaki etkileşimler oldukça karmaşıktır. Bununla birlikte, net etki; mühendislik özelliklerinin, su içeriği değiştikçe değişmesidir. Örneğin %50 su içeriğinde göz önüne alınan bir kilin kesme dayanımı, %10 su içeriğindekinden daha az olacaktır [11].
Kilin başlıca dört özelliği vardır. Plastisite, Kohezyon, Renk ve Rötre’ dir.
Plastisite; ezilmiş kile uygun miktarda su karıştırıldığı zaman işlenebilme ve şekillendirme özelliği kolaylaşır. Böylece kil kolayca şekil alır. Örneğin, un su ile karıştırıldığı zaman işlenebilir ve şekillendirilebilir. Buna karşılık kum, su ile karıştırıldığı zaman herhangi bir plastik özellik kazanamaz. Kilin plastisite özelliği kazanabilmesi için muhakkak surette su ile karıştırılması gereklidir. Su dışında hiçbir madde kile plastisite özelliği kazandırmaz. Bu konuda yapılmış deneylerde bir çok
sıvı (alkol, gaz, terebentin, amonyak, aseton vb.) kullanılmışsa da hiç birisi ile bu özellik elde edilmemiştir.
Kohezyon; bu özellik kil hamuruna kuruduğu zaman kendisine verilmiş olan şekli muhafaza etme kabiliyeti sağlar. Örneğin kum bu özelliğe sahip olmadığı için su ile ıslandıktan sonra kurumaya terk edildiği zaman küçük bir darbe ile kendi kendine dağılır. Kilin kohezyona sahip olabilmesi için mutlaka su ile yoğurulması gereklidir. Su dışında kalan diğer sıvılarla kil kohezyon kazanmaz.
Renk; killer metal oksitlerle karışık bir şekilde bulunduklarından doğal olarak renklenmiş durumdadırlar. Ayrıca organik maddeler de ihtiva eder. Kilin saf olması halinde rengi beyaz olur ve kaolen adını alır. Bunun ötesinde killerin renkleri sarı, pembe, kırmızımsı, mavimsi, kahverengi, gri, yeşil ve siyahımsı olabilir. Kilin rengi içinde bulunan maddeler hakkında fikir vermektedir. Kilde limonit bulunması halinde rengi esmerdir. Kilde demir peroksit bulunması halinde rengi kırmızıdır. Kilde manganez bioksit bulunması halinde rengi siyahtır. Kilde organik maddeler bulunması halinde menekşe rengindedir. Bununla beraber, kilin pişmeden evvelki rengi piştikten sonrada aynı renkte kalacağını göstermez. Çünkü oksitlerin yüksek ısı derecelerinde renkleri değişir.
Büzüşme (Rötre) ; kil su ile yoğrulup şekillendikten sonra kurumaya terk edilirse şekillendirme sırasında verilmiş olan ölçüleri küçülür. Diğer bir değişle kil hamurunun kuruma sırasında hacmi küçülür. Bu olaya kilin rötre yapması denir. Rötre, kilin kuruması sırasında olduğu gibi pişmesi sırasında da devam eder. Kilin kurumasından meydana gelen rötre, kilin plastisite özelliğine bağlıdır. Rutubetli bir kil hamuru kurumaya terk edildiği zaman hacmi küçülür. Belli bir zaman süresi sonucunda kil hamuru katılaşır ve mutlak kuruma haline kadar su kaybı ve hacim küçülmesi devam eder. Bu şekilde kurutulmuş kil hamuru gittikçe yükselen ısıda pişirildiği taktirde, kurutmada olduğu gibi yine hacmini küçültür. Kilin gerek kuruma ve gerekse pişme sırasında yapılmış olduğu rötre, toplam rötredir [12].