Неметаллические полезные ископаемые.

Глава 20. Сырье для получения легких заполнителей бетонов (глины, шунгиты, перлиты, кремнистые породы, гидрослюды).

Важнейшие строительные материалы - бетоны, получаемые в результате затвердевания уплотненной смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей, по объемной массе подразделяются на тяжелые (более 1800 кг/м³) и легкие (до 1800 кг/м³). Свойства бетонов и их стоимость во многом определяются заполнителями - природными или искусственными сыпучими каменными материалами, составляющими в них до 85% объема. Для тяжелых бетонов используются плотные заполнители. Легкие бетоны получают, либо используя легкие (пористые) заполнители, либо вспенивая (поризуя) вяжущее вещество - цементное тесто (ячеистый бетон).

Благодаря своей небольшой объемной массе, достаточной прочности и низкой теплопроводности они нашли широкое применение в сборных бетонных и железобетонных конструкциях и изделиях. Особо легкие бетоны с объемной массой до 500 кг/м³ используются в качестве теплоизоляционного материала. Наиболее распространены легкие бетоны на пористых заполнителях, как естественных (измельченные вулканические шлаки, туфы, опоки, пемзы, известняки-ракушняки и другие легкие горные породы), так и искусственных (керамзит, шунгизит, термолит, вспученные перлит и вермикулит, аглопорит и др.). При этом доля естественных заполнителей в общем объеме производства невелика, составляя около 10%; доминирующую роль (свыше 90%) играют искусственные заполнители.

В настоящее время существует целая отрасль промышленности по производству искусственных заполнителей. Это производство включает в себя добычу природного сырья в карьере, дробление либо получение гранул, фракционирование и термическую обработку (поризацию) с последующим охлаждением. Твердые породы подвергаются среднему и мелкому дроблению (сухой способ), рыхлые - гранулированию (мокрый способ) с последующей сушкой гранул. Получаемые щебенка и гравий разделяются на три фракции: 5-10 мм, 10-20 мм и 20-40 мм, а песок - на две: до 1,2 и 1,2-5 мм. Доля щебенки и гравия составляет 60-75, песка - 40-25%.

Термическая обработка заключается в скоростном обжиге измельченной породы, осуществляемом в шахтных, вращающихся и других специальных печах при температурах 850-1250°C, при этом происходят сгорание органического вещества, дегидратация слюд, глинистых минералов и вулканических стекол, диссоциация оксидов железа, карбонатов кальция и магния, сопровождаемые выделением газов. В результате частицы породы вспучиваются и приобретают пористое строение.

Получаемый таким образом пористый материал обладает небольшой объемной массой (50-1200 кг/м³), достаточно высокой прочностью, химической инертностью, низким водопоглощением, устойчивостью к действию воды и низких температур и другими свойствами, необходимыми для заполнителей бетонов. Важным показателем качества пористых заполнителей является конструктивная эффективность, определяемая как отношение прочности к объемной массе. Наилучшими являются заполнители, характеризующиеся высокими прочностными свойствами и объемной массой от 50 до 500 кг/м³.

В качестве сырья для производства пористых заполнителей служат разнообразные горные породы или промышленные отходы. Несмотря на то что и экономически, и экологически использование промышленных отходов в общем случае предпочтительнее, подавляющую часть пористых заполнителей в нашей стране пока еще получают из легкоплавких глин, глинистых сланцев и аргиллитов (керамзит), шунгитсодержащих сланцев (шунгизит), диатомитов, трепелов и опок (термолит и трепельный гравий), перлитов и обсидианов (вспученный перлит), гидрослюд и вермикулита (вспученный вермикулит) и других пород.

Из глин и отходов обогащения и сжигания угля - шлаков и золы - получают аглопорит. Его производство, заключающееся в термической обработке сырцовых гранул на агломерационных обжиговых машинах, значительно экономичнее, чем получение керамзитового гравия. Расплавленные металлургические (преимущественно доменные) шлаки после их быстрого охлаждения измельчаются, образуя, пожалуй, самый дешевый высококачественный пористый заполнитель - термозит.

Керамзит представляет собой пористый гравиеподобный заполнитель, наиболее широко используемый в промышленности. Его зернам размером 5-40 мм характерны округлая форма, шероховатая поверхность, равномерное распределение закрытых пор в стекловатой массе. Размер пор не превышает 1-5 мкм. По сравнению с аглопоритом и термозитом обладает значительно более высокой конструктивной эффективностью, а также меньшим расходом цемента при получении керамзитобетона. Глинистые породы (глины, глинистые сланцы, аргиллиты), пригодные для производства керамзита, имеют монтмориллонитовый, бейделлитовый и гидрослюдистый состав и способны вспучиваться в природных условиях; их оптимальный химический состав, %: SiO₂ 50-65; Al₂O₃ 16-25; Fe₂O₃ 4-5; FeO 1-2; СаО < 3; MgO < 3; K₂О 3; Na₂O 0,5-2,1; Сорг 1-2; п.п.п. 7-10. По размерам частиц в них преобладают коллоидная (более 50%), пылеватая (25-50%) и алевритовая (до 25%) фракции; допустимо присутствие частиц песчаной фракции (не более 5%). Химический и гранулометрический состав глинистой породы должен быть выдержан во всем объеме промышленной залежи.

Шунгизит в виде щебня и песка представляет собой легкий заполнитель, полученный в результате термической обработки шунгитсодержащих сланцев. Его объемная насыпная масса составляет 375-600 кг/м³. По сравнению с керамзитом шунгизит выгодно отличается большей морозо- и кислотоустойчивостью и меньшим водопоглощением. Полученный на его основе шунгизитобетон может поэтому использоваться в специфических агрессивных средах. Шунгитовые сланцы как исходное сырье для получения этого заполнителя характеризуются присутствием в своем составе тонкодиспергированного шунгита - черного, блестящего, аморфного углерода, отличающегося от сходного с ним антрацита большей плотностью (1840-1980 кг/м³), твердостью (около 4), тепло и электропроводностью. Образование шунгита связывают с воздействием интрузивных пород на битуминозные осадки. Даже небольшое его количество (1,5-2,0%) придает сланцам черную окраску и способность вспучиваться при обжиге. Сланцы образованы железистым хлоритом (50-60%), полевым шпатом (20-30%), кварцем (6-10%) и углеродистым веществом (до 5%),. их средний химический состав, %: SiO₂ 46-51; A1₂О₃ 14-18; (FeO+Fe₂O₃) 12-19; CaO 1,3-3,0; MgO 2,7-5,0; (Na₂O+К₂О) 2,5-5,0; Сорг 2,8-3,5; прочие 3-5. Для термической обработки пригодны мелко- и тонкозернистые разновидности.

Термолит и трепельный гравий как пористый заполнитель получают при скоростном обжиге кремнистых пород кристобалит-опалового ряда - диатомитов, трепелов и опок. Этот заполнитель имеет объемную насыпную массу 250-900 кг/м³ и характеризуется высокой прочностью, водо- и морозостойкостью. Как правило, себестоимость термолитобетона ниже, чем себестоимость керамзитобетона. Кристобалит - опаловые кремнистые породы широко используются в цементной промышленности, в производстве строительных теплоизоляционных материалов, в качестве абразивов, фильтров, адсорбентов, отбеливающих веществ, носителей катализаторов и т. д. Все эти области предъявляют к ним свои, специфические требования. Для получения термолита указанные кремнистые породы должны содержать 20-40% глинистых минералов и 80-60% опала и кристобалита; наиболее качественный заполнитель получают из пород следующего химического состава, %: SiO₂ 60-65; Al₂O₃ 5-15; Fe₂O₃ 2-8.

Вспученный перлит, предназначенный в качестве легкого заполнителя бетона, производится в основном в мелкой (песчаной) размерности. Такой перлитовый песок имеет объемную насыпную массу от 50 до 500 кг/м³; его наиболее ценные сорта с величиной этого показателя до 120 кг/м³ широко используются также для изготовления сухих штукатурок, пластмасс, красок, тепло- и звукоизоляционных засыпок, в качестве фильтров и др. Для получения вспученного перлита используются не только собственно перлитовые породы - кислые гидратированные вулканиты ряда риолит-дацит с характерной мелкой концентрически-скорлуповатой <перлитовой> структурой, но и другие, близкие к ним образования, включая пехштейны и обсидианы. Все эти кислые стекловатые водосодержащие вулканические породы в промышленности принято называть перлитами. Их способность к вспучиванию в результате термической обработки различна; от двукратного увеличения первоначального объема до двадцатикратного; соответственно и объемная масса вспученного перлита варьирует от 50 до 800 кг/м³. Плотные, обладающие ровным сколом перлиты, а также их измененные разновидности, содержащие цеолиты, каолинит, монтмориллонит и другие вторичные минералы, вспучиваются плохо. Наиболее благоприятными для получения вспученного перлита являются слабоизмененные стекловатые разновидности с небольшим содержанием вкрапленников и характеризующиеся следующим химическим составом, %: SiO₂ 65-75; A1₂O₃ 11-16; (FeO+Fe₂O₃) < 5-6; (CaO+MgO) < 4-5; (Na₂O+К₂О) 3-5; п.п.п 1-10.

Вспученный вермикулит, полученный в результате термической обработки природного вермикулита, гидробиотита и гидрофлогопита, представляет кубообразные и пластинчатые гранулы с шероховатой и гладкой поверхностью. Его насыпная объемная масса варьирует от 65 до 200 кг/м³, причем меньшей величиной этого показателя характеризуется заполнитель, полученный на основе собственно вермикулита. Если же в качестве исходного сырья используются гидрофлогопит и гидробиотит, то полученный заполнитель будет обладать большей объемной массой и меньшей прочностью. Подобно перлитобетонам, вермикулитобетоны выгодно отличаются малой объемной массой (280-1100 кг/м³) и высокими теплоизоляционными свойствами; для повышения прочности в состав этих бетонов нередко вводят керамзит, асбест, битумы и другие упрочняющие материалы. Исходное сырье для получения вспученного вермикулита - собственно вермикулит, гидрофлогопит и гидробиотит, обычно объединяемые в группу гидрослюд, в промышленном смысле относится к вермикулиту.

Главнейшими геолого-промышленными типами месторождений керамзитового, термолитового, шунгизитового и перлитового сырья являются следующие.
1). Пластовые, линзовидные и плащеобразные субгоризонтальные залежи керамзитовых глин выдержанного монтмориллонит-бейделлит-хлорит-гидрослюдистого (иногда с глауконитом) состава в разрезе осадочного чехла платформ, характеризующиеся широким площадным распространением и относительно небольшой (метры-первые десятки метров) мощностью (Ельдигинское, Пятовское и другие месторождения Восточно-Европейской платформы).
2). Пластовые, линзовидные согласные залежи керамзитовых глинистых и других сланцев выдержанного монтмориллонит-бейделлит-гидрослюдистого состава в разрезе метаморфизованных складчатых толщ, имеющие обычно наклонные залегания и мощности метры-десятки метров (многочисленные месторождения Южного Урала, Казахстана, Кузбасса и других складчатых областей).
3). Пластовые, выдержанные по простиранию, согласные залежи диатомитов, трепелов и опок широкого площадного распространения мощностью в метры-десятки метров среди терригенных и терригенно-карбонатных образований мезо-кайнозойского возраста (палеоценовые месторождения Инзенское, Алексеевское, Атемарское, Вольское в Поволжье, эоценовые месторождения Камышловское, Ирбитское, Киргизское и другие в Зауралье и Северо-Западном Казахстане).
4). Пластовые и линзовидные согласные залежи черных шунгитовых пород и сланцев разнообразного кварц-альбит-серицит-хлоритового состава в разрезе метаморфизованных и дислоцированных вулканогенно-осадочных докембрийских толщ мощностью метры-десятки метров (Шуньгское, Максовско-Зажогинское, Нигозерское, Мягрозерское и другие месторождения Карелии).
5). Пластовые и неправильной формы залежи перлита мощностью в десятки метров в периферических зонах караваеподобных риолитовых куполов и лавовых потоков, реже дайки того же состава и горизонты в кислых туфах в областях проявления кислого риодацитового вулканизма кайнозойского, реже мезозойского возраста (месторождения Арагацкое, Джрабергское, Арени и другие в Армении, Параванское в Грузии, Алнейское на Камчатке, месторождения Приморья, Северо-Востока, Забайкалья, месторождения Закарпатья Украины; месторождения США, Греции, Венгрии, Турции, Мексики, Чехии, ЮАР, Австралии, Новой Зеландии и других стран).

Ельдигинское месторождение керамзитовых глин

Месторождение находится в 45 км к северу от Москвы. Продуктивным горизонтом в геологическом разрезе месторождения являются нижнемеловые (альбские) глины, так называемые "парамоновские слои", мощностью от 6,4 до 30,5 м. Перекрывающими породами вскрыши, имеющей мощность от 6 до 27 м, являются сеноманские пески, четвертичные покровные и моренные суглинки, песчано-гравийные отложения. В лежачем боку глины подстилаются альбскими водоносными песками.

Глины имеют темно-серую окраску, алевропелитовую структуру, обладают высокой пластичностью. Главными минералами являются монтмориллонит (господствует) и глауконит, второстепенными - зерна кварца и фосфоритов, стяжения пирита; химический состав (мас.%): SiO₂ 62,16-72,2; А1₂О₃ 10,46-16,25; (FeO+Fe₂O₃) 5,41-8,62; CaO 0,82-1,71; Сорг 1,69-3,61. При нагревании глины хорошо вспучиваются. Температурный интервал обжига 1120-1180°С. Более половины (53%) исходной глинистой массы переходит в керамзитовый гравий марок 250 и 300, еще 25% - в керамзитовый гравий марок 350, 400, 500 и 600. Предварительная подсушка и сужение температурного интервала обжига до 1120-1140°C повышают долю более высококачественных легких марок. Глины образовались осадочным путем в морских условиях.

Нигозерское шунгитовое месторождение

В пределах Онежского синклинория Карелии широким развитием пользуются шунгитсодержащие образования, приуроченные к заонежской и суйсарской свитам нижнепротерозойского возраста. Эти свиты выполняют ядро синклинория, перекрывая верхнеятулийские карбонатные толщи. В составе нижележащей заонежской свиты выделяется нижняя - карбонатно-глинистая и верхняя - шунгитсодержащая подсвиты; с последней связаны Шуньгское, Максовско-Зажогинское и др. месторождения.

Суйсарская свита, перекрывающая заонежскую, характеризуется двумя фациальными типами разрезов: вулканогенным и вулканогенно-осадочным; в последнем случае (центральная часть Онежского синклинория) она подразделяется на нижнюю (180-270 м) и верхнюю (95-100 м) подсвиты. Средняя пачка нижней подсвиты является продуктивной; с ней связаны широко известные месторождения шунгитсодержащих альбит-хлоритовых и альбит-серицит-хлоритовых сланцев, характеризующихся выдержанным минеральным и химическим составом, стабильными содержаниями углерода (0,3-2,5%), большими мощностями и значительным площадным распространением.

Одним из таких месторождений является Нигозерское, расположенное к северо-востоку от г. Кондопога. В его геологическом строении принимают участие все три пачки нижнесуйсарской подсвиты: грубо ритмично переслаивающиеся туфоконгломераты, туфопесчаники, туфоалевролиты (нижняя), переслаивающиеся шунгитсодержащие кварц-альбит-хлоритовые алевролиты и альбит-хлоритовые черные сланцы (средняя), тонко переслаивающиеся бесшунгитовые альбит-хлоритовые сланцы и алевролиты (верхняя); они слагают замок и северо-западное крыло Кондопожской синклинали. Породы смяты в пологие складки более высокого порядка с углами падения 3-8°, размахом крыльев в 20-150 м и пологим погружением шарниров на юго-восток.

Черные сланцы (нигозериты) и алевролиты средней пачки входят в промышленный контур залежи и вскрыты карьером. Их мощность 26-80 м. Мощность вскрышных коренных пород и моренных отложений - 4,4 м. Подстилающие залежь более грубозернистые породы нижней пачки встречаются в приподнятых на 25-30 м тектонических блоках, значительно осложняя добычу. Субширотная система разломов, пересекающая залежь, сопровождается ореолом вторичной лимонитизации шириной 20-40 м, ухудшающей технологические свойства добываемых пород.

Нигозериты - черные и темно-серые тонкозернистые альбит-хлоритовые и кварц-альбит-хлоритвые породы с раковистым изломом. Кроме хлорита (до 50%) и альбита в них отмечаются обломки порфиритов, зерен кварца, карбоната, лейкоксена, гематита, эпидота, листочки слюды. Содержание рассеянного шунгита в них - 0,5-2,5%, размер его зерен 1-10 мкм.

Алевролиты (в контуре залежи) мелкозернистые, сложены обломками порфиров, зерен плагиоклаза (до 35%) и кварца (до 13%), сцементированных хлоритом, гидрослюдами и шунгитом.

Мощность индивидуальных чередующихся прослоев алевролитов и нигозеритов колеблется от нескольких мм до 30 см. Химический состав таких полосчатых пород следующий (мас.%): SiO₂ 46,00-50,83; Al₂О₃ 13,61-15,28; Fe₂O₃ 15,30-19,38; TiO₂ 1,82-2,28; СаО 2,34-4,70; MgO 4,10-5,31; К₂О 0,30-1,24; Na₂O 2,50-3,70; п.п.п. 3,93-6,12; Н₂О 0,12-0,45. Объемная масса сырья 2800 кг/м³.

В результате термической обработки этой породы при температуре 1070-1120°C получают вспученный заполнитель - шунгизит с объемной насыпной массой 190-130 кг/м³. Средняя прочность гранул 7-27,5 кгс/см².

Разведанные начальные запасы месторождения по промышленным категориям (В+С1) составили 17,4 млн м³. Помимо производства шунгизита, породы месторождения, обладая в полированном виде декоративными свойствами, используются при сооружении монументальных объектов (половые плиты, подоконники и плинтусы Исаакиевского и Казанского соборов в Санкт-Петербурге) и памятников.

Образование шунгитов связывают с метаморфизмом вулканогенно-осадочного материала, содержавшего органическое сапропелевое вещество, в условиях низких ступеней зеленосланцевой фации. При повышении степени метаморфизма на месторождениях Северной Карелии такое вещество превращалось в графит.

Рис. 93. Идеализированный поперечный разрез риолитовых куполов Но Аква Пикс, Нью-Мексико, США (по Уитсону)..

Месторождения перлита в Нью-Мексико, США

Максимальная годовая добыча перлита в США в конце минувшего столетия превышала 700 тыс. тонн, что составляло около 40% мирового производства данного сырья. Свыше 85% этой добычи в стране приходилось на месторождения в штате Нью-Мексико, приуроченные к полям развития кислых вулканитов в его северной (к северо-западу от Таоса), центральной (близ Сокорро) и южной (к западу от Лас-Крусос) частях.

В структурном отношении все месторождения связаны с вулканическими куполами грибообразной и луковицеобразной форм, перекрывающими магмовыводящие каналы, либо с короткими лавовыми потоками, примыкающими к ним. Наиболее крупные купола с промышленными залежами перлита имеют округлую или овальную форму в плане до 8 км в поперечнике и почти 300 м в вертикальном сечении.

Вероятно крупнейшим в мире по запасам и добыче перлита является рудное поле Но Аква Пикс, находящееся в пределах вулканического плато Таос и занимающее площадь около 12 км². Здесь откартированы останцы двух сильно эродированных вулканических куполов, образующих в рельефе несколько холмистых хребтов. Возраст слагающих куполы кислых вулканических пород датируется как плиоцен-плейстоценовый. На поверхности у подножья этих караваеподобных куполов широко развита рыхлая брекчия стекловатых перлитов.

Внутреннее строение куполов определяется наличием зон, отражающих механизм их локализации, остывания и последующего изменения (рис. 93). Периферическая зона купола состоит из двух стекловатых оболочек - наружной и внутренней. Наружная стекловатая оболочка сложена пемзовидным и зернистым перлитом, обычно пузырчатым, приобретающим ближе к центру классическую перлитовую отдельность и сменяющимся далее дезинтегрированной массой негидратированного обсидиана (мареканит). Внутренняя стекловатая оболочка выполнена частично девитрифицированным зеленым и зеленовато-серым классическим перлитом, микроскопически идентичным слагающему внешнюю оболочку. В обеих оболочках широко развиты флюидальные текстуры, сменяющиеся ближе к центру массивными.

Центральная зона купола представляет собой фельзитовое ядро, сложенное плотным гипокристаллическим сферолитовым фельзитом. Граница между фельзитовым ядром и стекловатой периферической зоной резкая, осложненная пальцеванием.

По мнению Вебера и Остена изначальное быстрое охлаждение поверхности купола в момент его становления привело к образованию здесь стекла, сопровождавшемуся дегазацией и закалкой. Появление такой изолирующей корки привело к уменьшению температурного градиента в куполе и формированию указанных стекловатых зон. Как полагает Уитсон, образование фельзитового ядра связано с полной девитрификацией первоначального стекловатого риолита. Вопрос о механизме гидратации обсидиана (сод. Н₂О 2-5%), остается дискуссионным: несмотря на то, что эта вода по своему составу близка к метеорной, не исключается и магматическое ее происхождение.

Промышленные разработки перлита в конце минувшего столетия велись на западном фланге поля Но Аква Пикс (рудник Эль-Гранде) и в его северной части с ежегодным уровнем добычи 200 и 350 тыс т соответственно. На руднике Эль-Гранде получали серый и коричневато-серый флюидальный микропузырчатый стекловатый перлит. Естественная трещиноватость породы облегчает ее выемку и транспортировку из карьера. Мощность разрабатываемой залежи составляет 25-100 м, а подсчитанные в ней запасы коммерческого перлита - около 100 млн т. Перлит, добываемый в северной части рудного поля, - плотный, коричнево-серый, флюидальный, содержит фенокристы плагиоклаза, кварца, биотита и вкрапленность рудных минералов; пузырчатые полости составляют 5-15% объема породы. Мощность разрабатываемой залежи 12-50 м.

Назад | Содержание | Вперед