CC BY
17УДК 691.41; 553.61
Ю.В. ТЕРЁХИНА1, инженер ([email protected]); Б.В. ТАЛПА2, канд. геол.-мин. наук, А.В. КОТЛЯР1, инженер
1 Донской государственный технический университет (344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)
2 Южный федеральный университет (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42)
Минералого-технологические особенности литифицированных глинистых пород и перспективы их использования для производства строительной керамики
Показана высокая перспективность вовлечения литифицированных глинистых пород, к которым относятся уплотненные и аргиллитоподобные глины, аргиллиты, туфоаргиллиты, глинистые и углистые сланцы, широко распространенные на территории России, для производства различных изделий строительной керамики. Представлены условия их формирования и связанные с этим особенности минералогического состава. Описан процесс иллитизации первичных смектит-гидрослюдистых глин. Дана краткая характеристика их технологических свойств и взаимосвязь с вещественным составом. Указывается, что гидрослюды различной степени кристалличности являются минералами -индикаторами степени литификации глинистых пород, что подтверждено электронно-микроскопическими исследованиями. Приводится условная классификация литифицированного глинистого сырья, пригодного для экструзионного и компрессионного способа формования изделий. Отмечается необходимость разработки четкой терминологии, методов испытаний и классификации литифицированного глинистого сырья, отражающих его качественные признаки и технологические свойства.
Ключевые слова: строительная керамика, глинистое сырье, литифицированные глинистые породы, гидрослюда, минералы-индикаторы, технология, аргиллиты, минералы.
Для цитирования: Терехина Ю.В., Талпа Б.В., Котляр А.В. Минералого-технологические особенности литифицированных глинистых пород и перспективы их использования для производства строительной керамики // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 8-10.
Ju.V. TEREKHINA1, Engineer ([email protected]); B.V. TALPA2, Candidate of Sciences (Geology and Mineralogy); A.V. KOTLJAR1, Engineer
1 Don State Technical University (1, Gagarina Square, Rostov-on-Don, 344010, Russian Federation)
2 Southern Federal University (105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
Mineralogical-Technological Peculiarities of Lithified Clay Rocks and Prospects for Their Use in Building Ceramic Production
The high prospect of engagement clayey sediments, which are compact-ed and argilli-toptable clay, mudstone, totality, clay and carbonaceous shales, which are widespread on the territory of Russia, for the produc-tion of various products of building ceramics. The conditions of their formation and the associated features of their mineralogical composition. It describes the process of illitization primary smectite—hydrologist clay. Gives a brief description of their technological properties and correlation with physical structure. Indicates that hydrology different degrees of crystallinity are minerals—indicators of the degree of lithification of shale, which is confirmed by electron microscopic studies. Provides conditional classification clay raw mate-rials suitable for extrusion and compression molding technology products. Is the need to develop clear terminology, test methods and classifi-cation clay raw materials, reflecting its qualitative characteristics and technological properties.
Keywords: building ceramic, argillous raw material, lithified clay rocks, hydromica, mineral-indicators, technology, mudstone, minerals.
For citation: Terekhina Ju.V., Talpa B.V., Kotljar A.V. Mineralogical-technological peculiarities of lithified clay rocks and prospects for their use in building ceramic production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 8-10. (In Russian).
Конец XX и начало XXI в. охарактеризовались разработкой широкой номенклатуры новых стеновых материалов (газобетон, фибропенобетон и др.), но несмотря на это, в индивидуальном жилищном строительстве ведущее место остается за керамическими материалами. Они обладают высокими технико-эксплуатационными характеристиками и архитектурной выразительностью, долговечностью и экологической чистотой и по совокупности свойств являются комфортными материалами. Строительство домов от эконом- до премиум-класса, дизайн интерьеров и ландшафтное оформление в настоящее время не обходятся без разнообразных керамических изделий, что влечет за собой увеличение выпуска продукции на действующих предприятиях и строительство новых заводов, позволяющих удовлетворить потребительский спрос на изделия с улучшенными качественными и эстетическими показателями. Кирпич «ручной формовки», ангобированные изделия, глазурованный кирпич, клинкерные изделия формируют отдельную группу на рынке керамических материалов, дополняя спрос на базовую продукцию строительной керамики — кирпич и камень.
Однако размещение заводов керамических материалов в мире, и в частности в России, ограничено рядом причин, одной из которых является редкая встречаемость месторождений глинистого сырья необходимого качества. Задачей работ, направленных на развитие минерально-
сырьевой базы для керамической промышленности России, является изучение и внедрение распространенного, доступного, выдержанного по мощности и простиранию высококачественного глинистого сырья, пригодного для производства широкого спектра керамических изделий, ранее считавшегося нетрадиционным. По мнению авторов, таким сырьем могут служить литифицированные глинистые породы, к которым относятся уплотненные и аргиллитоподобные глины, аргиллиты, туфо-аргиллиты, глинистые и углистые сланцы, широко распространенные на территории России, в странах СНГ и Европы.
Ресурсные, технические и экономические факторы благоприятствуют освоению данных осадочных пород в качестве исходного сырья для производства стеновой керамики. Во-первых, до настоящего времени мало проводилось систематизированных исследований литифици-рованных глинистых пород с целью получения на их основе керамических изделий с улучшенными показателями качества [1—4]. Во-вторых, особенностью залегающих вблизи поверхности месторождений литифицированных рельефообразующих глинистых пород является их значительная мощность (от первых сотен до 2000 м), что весьма актуально для расширения сырьевой базы регионов в условиях быстрого истощения запасов качественных глин. В-третьих, почвообразующие процессы на этих породах малоинтенсивные, для сельского хозяйства эти земли
Ceramic building materials
Рис. 1. Выходы литифицированных глинистых пород нижнемелового, среднеюрского и карбонового возрастов
малоценны и могут быть переведены в земли промышленного назначения.
Для широкого вовлечения литифицированных глинистых пород в качестве сырья для керамической отрасли необходима четкая терминология, отражающая качественные признаки сырья, разработка классификации, учитывающей геологические особенности и технологические свойства пород, методика испытаний и оценки данных пород, а также рекомендации по использованию видов с учетом их структуры, химического и минералогического составов.
Авторами исследованы литифицированные глинистые породы карбонового (Восточный Донбасс), нижне-среднеюрского (Западное, Центральное и Восточное Предкавказье) и нижнемелового (Западный Кавказ) возрастов (рис. 1).
Наиболее важными характеристиками глинистой породы: являются минералогический состав и соотношение минералов, слагающих все фракции (глинистую, алевритовую, песчаную), а также степень их литификации. Минеральный состав песчаной и алевритовой фракций (>0,01 мм) глинистых пород определялся методами имер-сионного анализа, а глинистая фракция (<0,001 мм) изучалась комплексом методов: рентгенометрическим, дифференциально-термическим и электронно-микроскопическим. Рентгеновское изучение глинистой фракции осуществлялось на приборе ДР0Н-6,0 (рентгеновский дифрактометр) в лаборатории Института наук о Земле по ориентированным препаратам с естественного образца, прокаленного при температуре 600оС и насыщенного этиленгликолем.
Во всех исследованных препаратах зафиксированы пики 1430-1450, 9960-1040, 714-725, 500-09, 448, 426, 357-359 пм. На термически обработанных препаратах пики 714-725 и 357-359 исчезают, а пик 1450 пм смещается к 1460 пм. В насыщенных этиленгликолем образцах разбухания слоев не наблюдается. Все это свидетельствует о наличии каолинита и хлорита. Пик 334 пм принадлежит тонкодисперсному кварцу.
Минералогический состав глинистой фракции, составляющей большую часть литифицированных пород, рассчитанный по соотношениям интенсивностей пиков ба-зальных отражений, представлен гидрослюдами типа ил-лита (50-70%), каолинитом (10-20%) и хлоритом (5-20%). Монтмориллонит (смектит) в исследованных литифицированных глинистых породах отсутствует.
При погружении древних осадочных толщ, находящихся в настоящее время на дневной поверхности, во
время катагенетических преобразований глинистых минералов происходит гидрослюдизация смектитов, т. е. превращение монтмориллонитового компонента в гидрослюды при литификации глинистых пород. Гидрослюдизация монтмориллонита осуществляется при температуре более 170оС и давлении свыше 850 атм. На территории Восточного Предкавказья эта граница соответствует глубине погружения осадочных толщ на 3500 м, в Западном Предкавказье - 3000 м. Выше этой границы нами отмечены пластичные глины, ниже - литифицированные глины разной степени. Степень литификации увеличивается с глубиной погружения древних первичных глин. Ниже этой границы в результате воздействия критического давления и температуры запускается процесс иллитизации смектитов [5-7]. Содержащиеся в первичных глинах смешанослойные образования ряда смек-тит-гидрослюда полностью превращаются в иллиты, при этом выделяют кристаллизационную воду; объем иллито-вых пакетов глинистой породы снижается, возрастает пористость. Таким образом, на границе зоны иллитизации образуется область разуплотнения глин.
Процесс иллитизации можно разделить на две стадии. Первая стадия процесса реализуется в закрытой физико-химической системе. Жидкие и газообразные фазы не могут удалиться за ее пределы, и происходит значительный рост порового давления, глины не уплотняются. Вторая стадия процесса реализуется в открытой физико-химической системе. Освободившаяся вода дренируется пластами-коллекторами и разломами. Водный раствор активно удаляется за пределы глинистых толщ. Глины уплотняются и переходят в аргиллиты [8, 9].
Естественная литификация (аргиллитизация) глинистых пород направленно подготавливает их к технологическим переделам при изготовлении сырца, снижая общие затраты на сушку и использование отощающих добавок, что приводит к гарантированному качеству изделий. Следует отметить, что практически все литифицированные глинистые породы содержат тонкодисперсную органику различного происхождения в среднем от 3 до 8 %, которая, сгорая при обжиге, уменьшает затраты на обжиг и увеличивает закрытую и открытую пористость.
По химическому составу литифицированные глинистые породы отличаются от обычных суглинков повышенным содержанием А1203 - 16-24% и К2О - до 5%. Это обеспечивает широкий интервал спекания и высокую прочность керамического камня. Также они отличаются технологичностью. Отсутствие в составе глинистой по-
У "rJt r=Jbr
M' r^il,
®
роды монтмориллонита значительно улучшает сушильные свойства сырца. Наличие до 20% каолинита в них расширяет интервал спекания, вплоть до получения керамического камня с водопоглощением ниже 2%. Не размокшие, не диспергированные частички литифициро-ванной глины выполняют функцию отощителя, причем имеют тот же минералогический состав, что и основная масса сырца.
Гидрослюды различной степени кристалличности являются минералами — индикаторами степени литифика-ции глинистых пород. В результате корреляции степени постседиментационных изменений изученных литифи-цированных глинистых пород и их пластичности определено, что каолинит-гидрослюдистые глинистые породы, прошедшие стадию начального катагенеза и раннюю стадию глубинного катагенеза, обладают умеренной и средней пластичностью и при вылеживании увеличивают ее. Это указывает на выбор методов приготовления сырца для получения обжиговых материалов из этих аргиллитов. Глинистые породы ранних этапов начального катагенеза пригодны для производства изделий пластическим методом формования сырца. Литифицированные глинистые породы более высокой степени катагенетических изменений имеют малую пластичность и пригодны для компрессионного формования или жесткой экструзии.
При электронно-микроскопических исследованиях фиксируются агрегаты пластинчатых кристаллов гидрослюд и каолинита, создающие своеобразный характерный тип поверхности. Агрегаты приурочены к крупным изо-метричным (610 мкм) или к удлиненным участкам (рис. 2).
С точки зрения технологических особенностей, изучение свойств разновидностей литифицированных глинистых пород — аргиллитоподобных глин, аргиллитов и
Рис. 2. Микроструктуры литифицированных глинистых пород
глинистых сланцев — позволило установить, что наиболее литифицированные (камнеподобные, сухарные) глинистые породы пригодны для производства изделий способом компрессионного формования. На основе аргилли-топодобных, менее литифицированных глин представляется возможным производить изделия по способу как пластического, так и компрессионного формования, а также способом жесткой экструзии, что особенно актуально в связи с развитием производства стеновых крупноформатных камней с улучшенными теплофизическими характеристиками, а также клинкерного кирпича повышенной прочности.
Принимая во внимание вышеизложенное, а также учитывая постоянно возрастающую потребность отрасли в качественном сырье, можно констатировать, что использование нетрадиционных видов сырья — литифицирован-ных глинистых пород является перспективным решением задачи по расширению сырьевой базы для производства керамических изделий широкой номенклатуры свойств.
Список литературы
1. Котляр В.Д, Козлов А.В., Котляр А.В., Терёхи-на Ю.В. Особенности камневидных глинистых пород Восточ-ного Донбасса как сырья для производства стеновой керамики // Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 95-105.
2. Талпа Б.В., Котляр А.В. Минерально-сырьевая база литифицированных глинистых пород Юга России для производства строительной керамики // Строительные материалы. 2015. № 4. С. 31-33.
3. Котляр А.В. Технологические свойства аргиллитоподобных глин при производстве клинкерного кирпича // Вестник ТГАСУ. 2016. № 2. С. 164-175.
4. Котляр А.В., Талпа Б.В., Лазарева Я.В. Особенности химического состава аргиллитоподобных глин и аргиллитов // Строительные материалы. 2016. № 4. С. 10-14.
5. Гаврилов Ю.О., Галкин В.А., Панов Д.И., Талицкий В.Г. Литолого-минералогические и структурно-геологические характеристики нижнесреднеюрского комплекса Большого Кавказа (район р. Терек) // Литология и полезные ископаемые. 1999. № 1. С. 58-77.
6. Гаврилов Ю.О., Соколова А.Л., Ципурский С.И. Терригенные отложения Центрального Кавказа в различных обстановках постдиагенетических преобразований (нижняя и средняя юра) // Литология и полезные ископаемые. 1992. № 6. С. 42-66.
7. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 576 с.
8. Холодов В.Н. Новое в познании катагенеза. Инфильтрационный и гравитационно-рассольный катагенез // Литология и полезные ископаемые. 1982. № 3. С. 3-22.
9. Холодов В.Н. Элизионный катагенез // Литология и полезные ископаемые. 1982. № 5. С. 5-42.
References
1. Kotlyar V.D., Kozlov A.V., Kotlyar A.V., Terekhina Yu.V. Features of solid clay rocks of the Eastern Donbass as raw material for producing wall ceramics. Vestnik MGSU. 2014. No. 10, pp. 95-105. (In Russian).
2. Talpa B.V., Kotlyar A.V. Mineral-raw material base of lith-ified clay rocks of the South of Russia for production of building ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 4, pp. 31-33. (In Russian).
3. Kotlyar A.V. Technological properties of claystone-like clays in clinker production. Vestnik TGASU. 2016. No. 2, pp. 164-175. (In Russian).
4. Talpa B.V., Kotlyar A.V., Lazareva Ya.V. Features of chemical compositions of argillite-like clays and argillites. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 4, pp. 10-14. (In Russian).
5. Gavrilov Ju.O., Galkin V.A., Panov D.I., Talickij V.G. Litologo-mineralogichesky and structural and geological characteristics of a low-ersredneyursky complex of Greater Caucasus (area of the Terek River). Litologija i poleznye iskopaemye. 1999. No 1, pp. 58-77. (In Russian).
6. Gavrilov Ju.O., Sokolova A.L., Cipurskij S.I. Terrigenous deposits of Central Caucasus Mountains in various situations the postdiagenet-icheskikh of transformations (lower and average Yura). Litologija i poleznye iskopaemye. 1992. No. 6, pp. 42-66. (In Russian).
7. Osipov V.I., Sokolov V.N. Gliny i ih svojstva. Sostav, stroenie i formirovanie svojstv [Clays and their properties. Structure, structure and formation of properties]. Moscow: GEOS. 2013, 576 p.
8. Holodov V.N. New in knowledge of a katagenez. Infiltration and gravitational and brine catagenesis. Litologija i poleznye iskopaemye. 1982. No. 3, pp. 3-22. (In Russian).
9. Holodov V.N. Lisianyi catagenesis. Litologija i poleznye iskopaemye. 1982. No. 5, pp. 5-42. (In Russian).
