Перспективы использования архейских силицитов центральной Карелии (Эльмусская и Койкарская структуры) для производства строительных материалов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 691

Л.С. СКАМНИЦКАЯ, старший научный сотрудник ([email protected]), Т.П. БУБНОВА, научный сотрудник ([email protected]), С.А. СВЕТОВ, д-р геол.-мин. наук ([email protected])

Институт геологии Карельского научного центра

Российской академии наук (185910, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11)

Перспективы использования архейских силицитов центральной Карелии (Эльмусская и Койкарская структуры) для производства строительных материалов

Приведены сведения о состоянии ситуации в строительной отрасли и существующих потребностях в горных породах для производства щебня с высокими физико-механическими характеристиками, дефицит в которых частично восполняется за счет импорта из других стран. В качестве перспективного объекта для расширения минерально-сырьевой базы Северо-Запада России изучены архейские силициты центральной Карелии. Даны общие сведения о породах и их геолого-минералогическая характеристика. Отражены результаты выполненных за последнее время исследований структуры, состава и физико-механических свойств силицитов, являющихся нетрадиционным сырьем кварц-полевошпатового состава. Показано, что в естественном виде данные породы в соответствии с техническими требованиями пригодны для производства высокопрочного щебня. Высокая кислотостойкость (>97%) позволяет использовать молотый силицит в кислотоупорных бетонах, замазках и в качестве наполнителя в лаках и красках.

Ключевые слова: силициты, высокопрочный щебень, наполнители, бетоны, вырьевые материалы, импортозамещение.

Для цитирования: Скамницкая Л.С, Бубнова Т.П., Светов С.А. Перспективы использования архейских силицитов центральной Карелии (Эльмусская и Койкарская структуры) для производства строительных материалов // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 62-66.

L.S. SKAMNITSKAYA, Senior Researcher ([email protected]), Т.Р. BUBNOVA, research assistant ([email protected]), S.A. SVETOV, Doctor Sciences (Geology and Mineralogy) ([email protected]) Institute of Geology of the Karelian Research Center of the Russian Academy of Sciences (11, Pushkinskaya Street, Petrozavodsk, 185910, Russian Federation)

Prospects of the Use of Archean Silicites of Central Karelia (Elmusskaya and Koykarskaya Structures) for Producing Building Materials

Data on the situation in the construction industry and present needs in rocks for producing the crushed stone with high physical-mechanical characteristics, which deficit is partially covered due to the import from other countries, are presented. As a perspective object for expansion of the mineral raw material base of the North-West of Russia, archean silicites have been studied. General information about rocks and their geological-mineralogical characteristics is given. Results of the recently conducted research in the structure, compositions, and physical-mechanical properties of silicites, as an untraditional raw material of quartz-field spar composition, are presented. It is shown that these rocks in their natural form are suitable for producing the high-quality crushed stone in accordance with technical requirements. High acid-resistance (>97%) makes it possible to use the ground silicite in acid-resistant concretes, mastics and as a filler in lacquers and paints.

Keywords: silicites, high-strength crushed stone, fillers, concretes, raw materials, import substitution.

For citation: Skamnitskaya L.S., Bubnova T.P., Svetov S.A. Prospects of the use of archean silicites of central Karelia (Elmusskaya and Koykarskaya structures) for producing building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 62-66. (In Russian).

Потребности в производстве строительных материалов из горных пород (щебня, наполнителей и др.) с высокими физико-механическими характеристиками обусловлены объемами строительных работ различного профиля. Повышен спрос на высокопрочный щебень с высокой морозостойкостью, прочностью, низким содержанием лещадных, глинистых и пылеватых частиц и минимальным радиационным фоном. В настоящее время в Российской Федерации сохраняется дефицит высокопрочного щебня, который частично восполняется за счет импорта из других стран. Согласно данным Федеральной таможенной службы России, суммарный импорт щебня в январе 2015 г. составил около 733 тыс т [1]. Четверку крупнейших импортеров составляют: Украина (89,6%), Беларусь (7,3%), Норвегия (2,6%), Казахстан (0,3%). Суммарная стоимость импортированного щебня в январе 2015 г. составила 13274,5 тыс дол. США.

Предприятия, производящие щебень, распределены по территории России неравномерно, так как они связаны с месторождениями природного камня (гранита, габбро, диабаза и т. д.), на базе которых работают. Таким образом, центральная часть России полностью зависит от поставок щебня из Карелии, Ленинградской

области, Урала и Украины [2]. Пролонгация ограничительной меры, установленной постановлением Правительства Российской Федерации № 556 от 17.06.2016 «О лицензировании импорта щебня, гравия, отсевов дробления, материалов из отсевов дробления и смесей, компонентами которых являются щебень, гравий и песок», позволила увеличить объемы производства и реализации продукции горнодобывающей отрасли. Меры, направленные на развитие внутреннего рынка, будут способствовать повышению не только количества, но и качества продукции.

Для расширения минерально-сырьевой базы Северо-Запада России [3, 4], повышения комплексности использования полезных ископаемых изучены архейские вулканогенно-осадочные породы — силициты Эльмусской и Койкарской структур (центральная часть Республики Карелия), где высококремнистые породы широко представлены [5—7] и формируют горизонты в вулканогенно-осадочных разрезах [8] изучаемых структур. Мощность толщи варьирует от 80 до 120 м. Осадочные породные последовательности испытали многократную метаморфическую и тектонометаморфи-ческую реактивацию, что привело к формированию

Рис. 1. Выходы архейских силицитов, уч. Койкары: а - тонкослоистые; б - конкреционные; уч. Эльмус: в - массивные тонкослоистые; г - конкреционные, брекчированные

Рис. 2. Текстурно-структурные особенности силицитов Койкары (а, б), Эльмус (в, г). Фото шлифов, николи Х: Qz - кварц, Мс - микроклин, - мусковит

вторичных минеральных парагенезисов в условиях хло-рит-серицитовой субфации зеленосланцевой фации регионального метаморфизма [5]. Структура основной массы породы равномерно тонкозернистая. На участке Койкары массивные силициты местами имеют примесь терригенного туфового и грауваккового материала. В разрезе встречаются мощные слои (до 25 м) конкреционных разновидностей силицитов. Силициты Койкарской структуры, опробованные по трем обнажениям, имеют цвет от светло-серого до зеленовато-серого, текстура пород тонкослоистая (рис. 1, а); конкреционная (рис. 1, б), отдельные прослои имеют текстуры седиментационных брекчий. Силициты Эльмусской структуры, опробованные по четырем обнажениям, отличаются преобладанием пород розового, местами малинового цвета, текстуры пород массивные, тонкозернистые и тонкослоистые (рис. 1, в) с элементами конкреционной и брекчированной (рис. 1, г).

Кварц-полевошпатовая матрица силицитов сложена тонкими срастаниями кварца, микроклина и альбита (рис. 2, 3) размером от 0,001 до 0,01 мм. В образцах с брекчированной текстурой наблюдаются обломки калиевого полевого шпата, округлые выделения перекристаллизованного кварца, обломки кремнистых конкреций, которые цементируются кремнистыми, слюдистыми и карбонатными минералами (рис. 2, б; 3, г, з).

Тонкочешуйчатый мусковит в виде прожилок и единичных выделений, отличающихся по размерам и форме, расположен в полевых шпатах и кварце (рис. 2, 3, д, е).

Хлорит наблюдается в виде пластинок светло-зеленого цвета, ориентированных параллельно и под некоторым углом к сланцеватости, размер от 0,01x0,03 мм до 0,03x0,16; 0,03x0,14 мм (рис. 4, а); также изредка встречаются гнездообразные скопления тонкочешуйчатого хлорита светло-зеленого цвета. Повышенные содержания хлорита на уч. Койкары обусловливают темноцветные прослои в породе.

Рис. 3. Особенности микроструктуры силицитов уч. Койкары (а-в); уч. Эльмус (г-е). Изображение СЭМ VEGA II LSH, BSE-детектор: Qz - кварц, Mc - микроклин, Ms - мусковит, Cal - кальцит

■■■

Рис. 4. Морфология выделения хлорита и кальцита. Изображение СЭМ VEGA II LSH, BSE-детектор: Qz - кварц, Mc - микроклин, Ms - мусковит, Cal - кальцит, Chi - хлорит, Bt - биотит, Aln - алланит, Zrn - циркон

Карбонат (кальцит) в породе в светлых полосах — таблитчатой (рис. 4, б), пластинчатой, ромбовидной формы с размером зерен менее миллиметра и в виде гнезд и поздних пересекающих породу прожилок (рис. 4, в).

Количественно минеральный состав силицитов, установленный по данным рентгенофазового анализа (табл. 1), характеризуется однотипным набором породообразующих минералов — это полевые шпаты, слюды и кварц. Вариации их содержаний по участку Койкары следующие: кварца 29—40%, микроклина 9—33%, альбита 10—17%, содержание мусковита по отдельным пробам, содержащим примесь терригенного туфового и грауваккового материала, достигает 65,6%. Состав силицитов уч. Эльмус практически аналогичен (табл. 1), отличаясь более низким содержанием мелкочешуйчатого мусковита и серицита и относительно большим содержанием кварца и альбита.

Вариации минерального состава определяют различия в химическом составе силицитов по участкам (табл. 2).

По вещественному составу (преобладанию кварца, полевого шпата) силициты близки к магматическим породам риолит-дацитового ряда, что дает основание отнести их к нетрадиционному кварц-полевошпатовому сырью [6].

Для определения возможности использования изучаемых высококремнистых пород при производстве

научно-технический и производственный журнал

Ü^.^.-^r^VlVI® сентябрь 2017 63

Таблица 1

Минеральный состав силицитов по обнажениям и участкам (данные рентгенофазового анализа), %

Минерал Уч. Койкары Уч. Эльмус

Обн. 1 Обн. 2 Обн. 3 Среднее по участку Обн. 1 Обн. 2 Обн. 3 Среднее по участку

Кварц 36,5-42,6 21,8-36,8 29,1-42,3 34,85 30,4-34 33,4-51,8 44,1-49 39,47

39,55 29,3 35,7 31,5 40,55 46,35

Альбит 10,2-10,4 0-18,2 14-20,3 15,22 30,9-44 15,6-43,2 19,5-33,8 30,1

10,3 9,1 17,15 38,13 28,23 23,95

Микроклин 30,9-34,3 4,6-28 0,5-10,6 19,37 21,4-28,9 10,4-46,6 8,7-18,5 21,2

32,6 16,3 9,2 25,4 23,98 14,23

Мусковит (серицит) 10-14,9 14,8-65,9 15,2-24,6 19,97 1,8-9,1 1,6-18 4,1-15,5 7,87

12,45 27,55 19,9 5,03 6,45 12,2

Кальцит 0 0 5-9-6,9 6,4 1,07 0 0 0-6 1,25 0,3

Хлорит 1,3-3,4 0,3-3,7 0,1-18,5 5,81 0,3 0,6 07-3,3 0,49

5,1 0,35 12 1,05

Примечание. В числителе приведены минимальные-максимальные значения, в знаменателе - среднее. Анализ проводился на автоматическом дифрактометре ARL X'TRA, Thermo Fisher Scientific, в Аналитическом центре ИГ КарНЦ РАН. Аналитик И.С. Инина

Таблица 2

Средний химический состав породы по участкам, мас. %

Участок Кол-во проб SiO2 TiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O ^O+Na2O ^O/Na2O

Койкары 8 67,16 0,33 16,02 2,39 1,6 4,79 1,49 6,07 7,33 4

Эльмус 13 75,07 0,82 11,85 0,93 0,64 0,81 3,22 4,91 8,68 2,37

Примечание. Анализ проводился в Аналитическом центре ИГ КарНЦ РАН методом мокрой химии (Пономарев, 1961). Пономарев А.И., 1961. Методы химического анализа силикатных и карбонатных горных пород. Издательство АН СССР, Москва, 414 с. Аналитик С.В. Бурдюх

Таблица 3

Данные физико-механических испытаний щебня из силицитов по участкам

Наименование показателя Требования к испытуемой продукции Результат испытаний по участкам

Койкары Эльмус

Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, мас. % Л-15 свыше 10 до 15 включительно Л-1 12,71 Л-15 11,42

Марка по дробимости - потеря массы при испытании в сухом состоянии - потеря массы при испытании в водонасыщенном состоянии, % М1400 до 9 вкл. М1200 до 12 вкл. М1200 10,33 М1400 8,6

Сопротивление удару на копре ПМ, - У 8,31 У 7,89

Марка по истираемости в полочном барабане - потеря массы при испытании, % И-1 потеря массы - до 15% И2 - до 20% И2 19,3 И1 14,2

Содержание зерен слабых пород, мас. % Не более 5 Нет Нет

Морозостойкость F-100 - потеря массы после испытания, <5 F-150 - потеря массы после испытания,<5 F-100 4,78 F-150 4,05

Содержание пылевидных и глинистых частиц, мас. % Не более 1 0,16 0,14

Содержание глины в комках, мас. % Не более 0,25 Нет Нет

Насыпная плотность в сухом состоянии, кг/м3 Не нормируется 1662 1680

Средняя плотность, кг/м3 Не нормируется 2,64 2,60

Истинная плотность, кг/м3 Не нормируется 2,68 2,70

Водопоглощение, % - 0,39 0,38

Реакционная активность (содержание растворимой кремнекислоты), ммоль/л Не более 50 29 24

щебня, применяемого в качестве заполнителя тяжелых бетонов, дорожных оснований и покрытий при строительных работах, в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 32703-2014, ГОСТ 32021-2012 и ГОСТ 25607-2009 выполнено определение физико-механических показателей. Изучение проводилось в аккредитованном Испытательном центре ИГ Кар НЦ РАН (аттестат аккредитации № РООС RU00103213Г03 от 01.03.2013 г.) на валовых пробах, объединенных из частных штуфных, отобранных по отдельным обнажениям.

Сравнительный анализ минерального состава сили-цитов по участкам (табл. 1) показывает, что при однотипном наборе породообразующих минералов силици-ты уч. Койкары по частным пробам характеризуются повышенным содержанием слоистых силикатов — мусковита и хлорита, относимых по ГОСТ 32703-2014 «Щебень и гравий из горных пород. Технические условия» к вредным минералам-примесям при использовании горных пород в качестве щебня.

Однако микронный размер и высокая однородность гранулометрического состава породообразующих минералов в силицитах определяет высокую прочность породы, что подтверждается данными физико-механических испытаний (табл. 3).

В соответствии с ГОСТ 8269.0—97 пористость и плотность скальных пород, используемых для производства строительного щебня, не нормируется. По физико-механическим свойствам силициты изучаемых участков центральной Карелии мало отличаются. Плотность пород 2,68—2,7 кг/м3. Прочностные характеристики пород постоянно высокие.

Из приведенных данных (табл. 3) видно, что в естественном виде породы пригодны для производства высокопрочного щебня.

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в силицитах, определенная по ГОСТ 30108—94, низкая и составила 5—6 Бк/кг, что позволяет без ограничения использовать их в любых производствах.

Отсевы дробления силицитов (фракция 5—0 мм), матрица которых состоит из тонкозернистого агрегата кварца, полевых шпатов и мусковита, изучены в качестве наполнителей в бетоны. Традиционным источником для производства наполнителей являются полевые шпаты, из-за нехватки которых в настоящее время все шире используются различные горные породы с высоким содержанием полевых шпатов [10]. Наполнители на основе полевого шпата для нужд полимерной и лакокрасочной промышленности уже более 20 лет производятся в США компанией «Лоусон Юнайтед Фелдспар энд Минерал Корпорэйшн». В России промышленное производство

Список литературы

1. Шавина Т. Рынок щебня — был бы спрос // Строительство.т Всероссийский отраслевой интернет-журнал. 23.10.2013. http://rcmm.ru/stroitelnye-materialy/21939-rynok-schebnya

2. Минерально-сырьевая база Республики Карелия. Кн. 2. Неметаллические полезные ископаемые. Петрозаводск: Карелия, 2005. 280 с.

3. Государственный баланс запасов полезных ископаемых Российской Федерации на 01.01.2016. Вып. 76 Строительные камни. Т. 1. Ч. 3. Северо-Западный федеральный округ. М, 2016. 219 с.

4. Щипцов В.В. О потенциале минерально-сырьевой базы промышленных минералов Республики Карелия для использования в производстве строительных и технических материалов различного назначения. Проблемы рационального использования

Таблица 4

Технические характеристики силицитов как наполнителей

Наименования показателя Результаты испытаний по участкам

Койкары Эльмус

Массовая доля водорастворимых веществ, % 0,11 0,1

Влажность, % 0,12 0,1

рН 10%-й водной суспензии 6,6 6,5

Маслоемкость по ГОСТ 21119.8-75, г/100г 29,39 28,83

Растворимость 20% HCl, % 97,03 97,62

аналогичной продукции на основе кварц-полевошпатового сырья организовало ООО «Ар-Тэк» [8].

Пригодность наполнителя определяется его техническими характеристиками. По данным испытаний, силициты характеризуются химической стойкостью. Кислотостойкость породы в 20% соляной кислоте высокая и составляет 97%, реакционная активность — 24—29 ммоль/л. Высокая стойкость силицитов к кислотам и щелочам позволяет их использовать в качестве кварц-полевошпатовых наполнителей (табл. 4).

Исследования показали несколько более высокую маслоемкость (~29 г/100 г) у наполнителей из силици-тов по сравнению с традиционноиспользуемыми диоксидом титана и кальцитами (18—23 г/100 г). Высокая прочность силицитов придает лакокрасочным покрытиям устойчивость к истиранию и полировке. Химическая инертность силицита в сочетании с твердостью делают этот наполнитель практически идеальным для долговечной эксплуатации даже в условиях агрессивной среды.

Физико-механические испытания архейских сили-цитов показали, что данная порода обладает высокой механической прочностью, является морозостойкой, обладает низкими показателями водопоглощения и может использоваться для получения высококачественного щебня и наполнителя в строительстве в следующих направлениях:

— заполнители для тяжелого бетона, а также дорожных и других видов строительных работ;

— атмосферостойкий наполнитель в фасадных красках и лакокрасочных материалах с различными связующими для наружных и внутренних работ;

— химическистойкого наполнителя для лакокрасочных материалов, предназначенных для эксплуатации в химически агрессивных, особенно кислотных средах.

References

1. Shavina T. The market of rubble — there would be a demand. Stroitel'stvo.ru Russian industry internet-journal. 23.10.2013. http://rcmm.ru/stroitelnye-materialy/21939-rynok-schebnya (In Russain).

2. Mineral'no-syr'evaya baza Respubliki Kareliya. Kniga 2. Nemetallicheskie poleznye iskopaemye [The mineral resources of the Republic of Karelia. Book 2. Non-metallic minerals]. Petrozavodsk: Karelia. 2005. 280 p.

3. Gosudarstvennyi balans zapasov poleznykh iskopaemykh Rossiiskoi Federatsii na 01.01.2016 Vyp. 76 Stroitel'nye kamni T. 1. Hhast' 3 Severo-zapadnyi federal'nyi okrug (State balance of mineral reserves of the Russian Federation on 01.01.2016. Iss. 76. Building stones. Vol. 1. Part 3. The North-West Federal district). Moscow. 2016. 219 p.

4. Shchiptsov V.V. On the potential of the mineral and raw materials base of industrial minerals in the Republic of

природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов. V Всероссийская научная конференция с международным участием. Апатиты. 2013. С. 29—32.

5. Светова А.И. Архейский вулканизм Ведлозерско-Сегозерского зеленокаменного пояса Карелии. Петрозаводск: КНЦ РАН, 1988. 148с.

6. Скамницкая Л.С., Бубнова Т.П., Светов С.А. Технологическая минералогия высококремнистых осадочных пород Карелии — нетрадиционного кварц-полевошпатового сырья // Обогащение руд. 2016. № 4. С. 22-28.

7. Светова А.И., Светов С.А., Назарова Т.Н. Мезо-архейские седиментационные ансамбли в пределах офиолитоподобных комплексов Центрально-Карельского террейна // Геология и полезные ископаемые Карелии. 2008. Вып 11. С 135-141.

8. Стратиграфия докембрия Карелии. Опорные разрезы верхнеархейских отложений. Петрозаводск: КНЦ РАН, 1992. 190 с.

9. Кузьмина В.П. Механохимия для лакокраски. Ч. А. Производство механоактивированных природных наполнителей. М., 2016. 175 с. (http://viperson.ru/ uploads/attachment/file/950302/%D0%9A%D0%BD._ %D0%9C%D0%95%D0%A5%D0%90%D0%9D%D0 %9E%D0%A5%D0%98%D0%9C%D0%98%D0%AF_ %D0%94%D0%9B%D0%AF_%D0%9B%D0%9A%D0 %9F_%D1%87._%D0%90__%D0%9F%D0%A0%D0 %98%D0%A0%D0%9E%D0%94%D0%9D%D0%AB %D0%95_%D0%9D%D0%90%D0%9F%D0%9E%D0 %9B%D0%9D%D0%98%D0%A2%D0%95%D0%9B% D0%98_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%9B%D0 %9A%D0%9C.PDF)

Karelia for use in the production of construction and technical materials for various purposes. Problems of rational use of natural and technogenic raw materials of the Barents region in the technology of building and technical materials V All-Russian scientific conference with international participation. Apatity. 2013. pp. 29—32. (In Russian).

5. Svetova A.I. Arkheiskii vulkanizm Vedlozersko-Segozerskogo zelenokamennogo poyasa Karelii Archean volcanism in the Vedlozero-Segozero Greenstone belt of Karelia. Petrozavodsk: KRC RAS. 1988. 148 p.

6. Skamnitskaya L.S., Bubnova T.P., Svetov S.A. Technological mineralogy of the high-sedimentary rocks of Karelia — non-traditional quartz-feldspar raw materials. Obogashchenie rud. 2016. No. 4, pp. 22—28. (In Russian).

7. Svetova A.I., Svetov S.A., Nazarova T.N. Mesoarchean sedimentary ensembles within the ophiolite-like complexes of the Central Karelian terrane. Geologiya i poleznye is-kopaemyeKarelii. 2008. Iss. 11, pp. 135—141. (In Russsian).

8. Stratigrafiya dokembriya Karelii. Opornye razrezy verkhnear-kheiskikh otlozheniy (Stratigraphy of the Precambrian of Karelia. Reference sections of Upper Archaean deposits). Petrozavodsk: KNTs RAN, 1992. 190 p.

9. Kuz'mina V.P. Mekhanokhimiya dlya lakokraski. Chast' A. Proizvodstvo mekhanoaktivirovannykh prirodnykh napol-nitelei [Mechanochemistry for lacquer. Part A. Production of mechanically activated natural fillers]. Moscow. 2016. 175 p. (http://viperson.ru/uploads/attachment/file/950302/%D0%9 A%D0%BD._%D0%9C%D0%95%D0%A5%D0%90%D0 %9D%D0%9E%D0%A5%D0%98%D0%9C%D0%98%D0 %AF_%D0%94%D0%9B%D0%AF_%D0%9B%D0%9A%

D0%9F_%D1%87._%D0%90_%D0%9F%D0%A0%D0%

98%D0%A0%D0%9E%D0%94%D0%9D%D0%AB%D0% 95_%D0%9D%D0%90%D0%9F%D0%9E%D0%9B%D0 %9D%D0%98%D0%A2%D0%95%D0%9B%D0%98_%D0 %B4%D0%BB%D1%8F_%D0%9B%D0%9A%D0%9C.PDF)

научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ £j Li| i. ~66 сентябрь 2017 Й- fEW.; J L *