CC BY
17УДК 691.41; 553.61
Б.В. ТАЛПА1, канд. геол.-мин. наук (talpabv@gmail.com), А.В. КОТЛЯР2, инженер
1 Южный федеральный университет, Институт наук о Земле (344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40)
2 Ростовский государственный строительный университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Минерально-сырьевая база литифицированных глинистых пород Юга России для производства строительной керамики
Дана характеристика химико-минералогического состава и структурных особенностей камневидного твердого глинистого сырья Юга России, к которому относятся аргиллитоподобные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, алевролиты и переходные разновидности между этими видами пород. Показано, что особенный набор глинистых минералов в составе данного сырья обусловлен условиями образования. Приведены керамические и технологические свойства. При этом подчеркивается, что они обусловлены как составом, там и степенью измельчения сырья. Показана высокая перспективность использования данных литифицированных глинистых пород каолинит-гидрослюдистого состава для производства широкой номенклатуры керамических материалов: лицевого кирпича, клинкерного строительного кирпича, дорожного клинкерного кирпича, черепицы, фасадных керамических плит, а при вводе в состав шихты - выгорающих и порообразующих добавок керамических камней высокой эффективности с маркой по прочности до М200.
Ключевые слова: глина, аргиллит, минералы, керамика, кирпич.
B.V. TALPA1, Candidate of Sciences (Geological and Mineralogical) (talpabv@gmail.com), A.V. KOTLYAR2, Engineer
1 Southern Federal University (40, Zorge Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation
2 The Rostov State University of Civil Engineering (162, Sotcialisti-cheskaya Street, Rostov-on-Don, 344090, Russian Federation)
Mineral-Raw Material Base of Lithified Clay Rocks of the South of Russia for Production of Building Ceramics
The characteristic on chemical mineralogical structure and structural features of lithoidal firm argillous raw material of the South of Russia to which argillitopodobny clays, soapstones, clay slates, aleurolites and transitional versions between these types of breeds belong is given. Justification of a special set of clay minerals as a part of these raw materials that is caused by education conditions is given. Ceramic and technological properties are given. Here it is emphasized that they are caused both by structure, and by extent of crushing of raw materials. High prospects of use of data the litifitsirovannykh of clay breeds kaolinite-hydromicaceous structure for production of the wide nomenclature of ceramic materials are shown: front brick, brick construction brick, road brick brick, tile, front ceramic plates, and at input in composition of furnace charge burning out and the poroobrazuyushchikh of additives of ceramic stones of high efficiency with brand on durability to M200.
Keywords: clay, soapstone, minerals, ceramics, brick.
Актуальной проблемой успешного развития промышленности стеновой керамики Юга России в последние годы является сырьевая база. Основным сырьем в настоящее время служат покровные четвертичные суглинки различного генезиса. Они залегают на обширных площадях, имеют практически повсеместное распространение, являются общераспространенным полезным ископаемым. Однако их использование для производства стеновой керамики в последние годы осложняется рядом серьезных причин, значимость которых индивидуальна в каждом конкретном случае. Это предопределяет поиск новых сырьевых источников для производства стеновой керамики. Тенденция является как российской, так и общемировой. В этом отношении представляет большой интерес камне-видное твердое глинистое сырье, к которому относятся аргиллитопо-добные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, алевролиты и переходные разновидности между этими видами пород — литифицированные глинистые породы [1—4].
На Юге России литифицирован-ные глинистые породы имеют достаточно широкое распространение. В Краснодарском крае крупные выходы
и месторождения данного сырья наблюдаются в предгорных и горных районах, от Новороссийска до Горячего Ключа и Туапсе, в районе Сочи, от Горячего Ключа до Майкопа и поселков Каменномостского, Мостовского, Псебай. Эти же выходы литифицированных глинистых пород, протягивающиеся в субширотном направлении, прослеживаются в Ставропольском крае до Минеральных Вод и Кисловодска и далее вплоть до Каспийского моря [4].
По своему происхождению данные глинистые породы относятся к фациальному типу умеренно-глубоководных глинистых отложений. Это довольно однообразные глинистые породы, образовавшиеся в каменноугольный, юрский и меловой периоды [5]. Их характерной особенностью является наибольшая выдержанность литологического состава отдельных горизонтов на большом протяжении и большие мощности (сотни и первые тысячи метров). Они имеют скорлуповатую и тонкоплитчатую отдельность. Глинистая фракция их, по данным полуколичественного дифрактоме-трического анализа, сложена в среднем на 64—70% гидрослюдой и на 18—22% каолинитом. Алевритовый материал сложен в основном зерна-
ми кварца, кислых плагиоклазов, микроклина и обломками кварцсо-держащих пород. Из терригенных минералов тяжелой фракции присутствует циркон, рутил, турмалин, гранат и др. Из аутигенных наиболее многочисленным является пирит, который развит по фюзенизи-рованному растительному детриту. Кроме того, пирит встречается в виде глобуль размером 0,04—0,05 мм и мельче, которые часто образуют скопления (рис. 1).
Изученные отложения представляют собой довольно сильно лити-фицированную породу, в состав глинистой фракции которой входят гидрослюды двух морфологических типов: изометричная, являющаяся аллотигенной составляющей, и удлиненно-пластинчатая являющаяся, вероятно, продуктом катагене-тического процесса преобразования монтмориллонита (рис. 2). Именно соотношение этих двух составляющих во многом предопределяет технологические свойства данного сырья и выбор рациональной технологии их переработки.
Литифицированные глинистые породы были сформированы в результате процессов катагенетиче-ских преобразований глинистых минералов по мере погружения оса-
h] ®
научно-технический и производственный журнал
апрель 2015
31
Керамические строительные материалы
Рис. 1. Макроструктура литифицированных глинистых пород (аргиллитоподобных глин) в сухом и во влажном виде
С^^Т'-.""' ¡¿Вл и ж ЩЯя^м^ь'ЧК^^ ¿ЯП
ДВИРИИР^Г^
Рис. 2. Микроструктура литифицированных глинистых пород (аргиллитоподобных глин)
дочных толщ в глубь Земли. При этом происходит иллитизация (гид-рослюдизация) смектитов, переход монтмориллонитового компонента глин в гидрослюды аргиллитов. По-видимому, гидрослюдизация монтмориллонита определяется областью воздействия на глинистые толщи температуры более 170оС и давления свыше 850 атм, при которых монтмориллонит не может существовать [6, 7]. Например, на территории Дагестанского клина (Восточное Предкавказье) эта граница соответствует глубине погружения осадочных толщ в 3,7—3,8 км, в Азово-Кубанской впадине — примерно 3 км. Выше ее в разрезе наблюдаются только пластичные глины, ниже — глинистые породы, представленные аргиллитами. Многие исследователи считают, что в прогибе Большого Кавказа, к которому относится рассматриваемый регион, ведущее значение в вещественно-минералогических преобразованиях принадлежит стрессовым напряжениям (стресс-метаморфизм), а не геостатическому фактору. Оценивая величину геостатических нагрузок, следует исходить из общей мощности всего разреза осадочных пород около 5,5—6 км.
При погружении осадочных толщ ниже уровня критических температуры и давления начинается процесс иллитизации смектитов [6].
Содержащиеся в глинах пакеты смектитовой фазы, превращаясь в иллиты, выделяют кристаллизационную воду, при этом уменьшается объем иллитовых пакетов глинистой породы и возрастает ее пористость, т. е. вблизи границы илли-тизации возникает зона разуплотнения глин. Ниже под действием геостатического давления иллито-вая глина уплотняется до аргиллитов, а поровые воды отжимаются в зону разуплотнения, где возникают сверхвысокие пластовые давления (СВПД). Глинистые породы лити-фицируются и теряют пластичность.
Образцы литифицированных глинистых пород изучались рентгено-дифрактометрическим методом на дифрактометре ДРОН 7,0 с трубкой Си-излучения на ориентированных препаратах в естественном виде, прогретые при 600оС и насыщенные этиленгликолем. На дифрактограм-мах всех образцов отчетливо выделяется дифракционный спектр гидрослюды типа иллита. Об этом свидетельствуют отражения, отвечающие межплоскостному расстоянию в районе 5 и 10 А. Измерение отражения указывает на диоктаэдрическую разновидность гидрослюды (рис. 3).
Характерны довольно интенсивные пики базальных отражений в районе 3,5; 5; 7 и 14 А. Причем после прокаливания препарата пики в районе 3,5 и 7 А исчезают, а последний пик смещается к 14 А. После насыщения препаратов этиленгликолем разбухания слоев не происходит. Все это свидетельствует о наличии каолинита и хлорита. Базальные отражения 3,34 А соответствуют кварцу, находящемуся в тонкодисперсном состоянии.
Количественные соотношения глинистых минералов рассчитывались по методу Брэдли. В среднем в образцах содержится гидрослюды от 50 до 70%, каолинита — от 15 до 25%, хлорита — от 2 до 8%. Таким образом, для литифицированных глинистых пород характерны достаточно однородный минеральный состав и практически одинаковое соотношение породообразующих минералов.
Полученный нами фактический материал по минеральному составу литифицированных глинистых пород, свидетельствует о следующем. В западной части прогиба Большого Кавказа накапливались гидро-слюдисто-каолинитовые илы, имевшие незначительную примесь хлорита. Отсутствие разбухающих слоев может быть объяснено тем, что осадки этого бассейна или содержали монтмориллонит неповсеместно,
Рис. 3. Дифрактограмма типичной аргиллитоподобной глины
научно-технический и производственный журнал
32
апрель 2015
Температура обжига, оС -•-0-1,25 мм -«-0-0,63 мм -«-0-0,315 мм 0-0,16 мм
Рис. 4. Зависимость предела прочности при сжатии образцов от степени измельчения сырья и температуры обжига
или же монтмориллонитовая составляющая осадков полностью перешла на стадии катагенетических пр еобразований в гидрослюду.
Характеристика керамических о бразцов, обожженных при темпер атуре от 900 до 1100оС, в среднем со ответственно следующая: огневая усадка 0,2—5,9 %; предел прочности при сжатии 20—170 МПа; при изгибе — 6—45 МПа; водопоглощение 14— 0 , 1 %. На образцах-кубиках и балоч-ках не наблюдаются формовочные и сушильные трещины. Цвет образцов крастю-коричневый и коричневый, звук звонкий, излмм плотный!. Образцы выдерживают в зависимо -сти от технологических параметров до 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Особенностью литифицированного глинистого сырья является существенная зависимость свойств обожжен-
Список литературы
1. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 576 с.
2. Япаскурт О.В. Литология. М.: Академия. 2008. 336 с.
3. Котляр А.В., Талпа Б.В. Камневидные глинистые породы Восточного Донбасса — перспективное сырье для производства стено-вой керамики: Сборник трудов научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы наук о Земле». Ростов-н/Д, 2015. С. 49—51.
4. Котляр А.В., Талпа Б.В. Особенности аргиллитопо-добных глин Юга России как сырья для производства клинкерного кирпича. Сборник трудов научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы наук о Земле». Ростов-н/Д, 2015. С. 51-53.
5. Байков А.А., Талпа Б.В. Реликтовые глины в нижнее- среднеюрских аргиллитах Северо-Западного Кавказа. Актуальные проблемы региональной геологии, литологии и минерагении. Ростов-н/Д: ООО «ЦВВР», 2005. С. 5-14.
6. Холодов В.Н. Геохимия осадочного процесса. М.: ГЕОС, 2006. С. 6-8.
7. Холодов В.Н., Недумов Р.И. О рудообразующей роли черных сланцев (на примере фосфатных и марганцевых руд) // Литология и полезные ископаемые. 2011. № 4. С. 362-396.
-Ф-0-1,25 мм -.-0-0,63 мм 0-0,315 мм -т- 0-0,16 мм
Рис. 5. Зависимость предела прочности при изгибе образцов от степени измельчения сырья и температуры обжига
ным отощителем, что позволяет, изменяя их количество и размер, регулировать как дообжиговые, так и обжиговые свойства. Необходимые для клинкерного кирпича прочность и во-допоглощение достигаются в среднем при температуре обжига 1050оС. Эти свойства прямо пропорционально зависят от температуры обжига.
Проведенные исследования показали высокую перспективность использования литифицированных глинистых пород каолинит-гидрослюдистого состава для производства широкой номенклатуры керамических материалов: лицевого кирпича, клинкерного строительного кирпича, дорожного клинкерного кирпича, черепицы, фасадных керамических плит, а при вводе в состав шихты выгорающих и порообразую-щих добавок — керамических камней с маркой по прочности до М200.
References
1. Osipov V.I., Sokolov V.N. Gliny i ikh svoistva. Sostav, straenie i formirovanie svoistv [Clays and their properties. Composi-tion, structure and formation of properties]. Moscow.: GEOS. 2013. 576 p.
2. Yapaskurt O.V. Litologiya [Lithology] M.: Akademiya. 2008. 336 p.
3. Kotlyar A.V., Talpa B.V. Lithified argillaceous rocks of East Donbass perspective raw materials for production of wall ceramics. The collection of works of scientific conference of students and young scientists with the international participation «Actual problems of sciences about Earth». Rostov-on-Don. 2015. pp. 49—51. (In Russion).
4. Kotlyar A.V., Talpa B.V. Especially lithified argillaceous rocks of the South of Russia as raw materials for production of a brick brick. The collection of works of scientific conference of students and young scientists with the international participation «Actual problems of sciences about Earth» Rostov-on-Don. 2015. pp. 51—53. (In Russion).
5. Baikov A.A., Talpa B.V. Relic of clay in the early- middle jurassic mudstones Northwest Caucasus. Actual problems of regional geology, lithology and mineralogy. Rostov-on-Don.: OOO «TVVR». 2005, pp. 5-14.
6. Kholodov V.N. Geokhimiya osadochnogo protsessa [Geochemistry ofsedimentary process]. Moscow: GEOS, 2006, pp. 6-8.
7. Kholodov V.N., Nedumov R.I. About an ore-forming role of black slates (on the example of phosphatic and manganese ores). Litologia i poleznie iskopaemie. 2011, Vol. 4, pp. 362-396.
ных образцов от степени измельчения сырья и температуры обжига (рис. 4, 5).
В технологическом отношении литифицированное глинистое сырье, как правило, является легкоплавким, спекающимся, с широким интервалом спекания. Отсутствие в составе монтмориллонита значительно улучшает сушильные свойства сырца. По химическому составу литифицированные глинистые породы отличаются от обычных суглинков повышенным содержанием А1203 — 16—24% и К2О — до 6% и являются полукислыми, с высоким и средним содержанием красящих оксидов. В среднем содержание Si02 составляет 56—62%; А1203 - 18-24%; Fe20з - 2-6%; К2О -3-6%; №20 - 1-2%.
Неразмокшие не диспергированные частички являются своеобраз-
rj научно-технический и производственный журнал
M ® апрель 2015 33~
