CC BY
65
УДК 553.611.08.002.2
В. П. Лузин, А.В. Корнилов, В. П. Сютин, В. В. Морозов, Л. П. Лузина, Р. Р. Самигуллин
ПРИМЕНЕНИЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД И ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ РУДНЫХ ПЕСКОВ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Ключевые слова: вскрышные породы, отходы обогащения, суглинок, песок, керамика, свойство.
Показана возможность использования вскрышных пород (тяжелых суглинков, тонкозернистых кварцевых песков) и отходов обогащения титаноциркониевых песков для производства стеновых керамических материалов (кирпича, камня) с прогнозной маркой по прочности М75-М150. Освоение техногенного сырья позволит улучшить экологическую обстановку и повысить эффективность использования недр титаноциркониевого объекта.
Keywords: overburden, tailings, clay, sand, ceramics, property.
The possibility of using overburden rocks (heavy loam, fine-grained quartz sand) and tailings titan-zirconium sand for the production of ceramic wall materials (brick, stone) with a forecast mark on the strength of M75-M150. The development of man-made raw materials will improve the ecological situation and increase the efficiency of the use of the titanium zirconium object.
Комплексное использование недр является приоритетным направлением при изучении нерудного сырья в процессе геологоразведочных работ. При освоении месторождений неметаллических полезных ископаемых образуются отвалы из вскрышных пород и некондиционного сырья, отходы переработки и обогащения основной породы. Их утилизация имеет практическое значение с точки зрения экономики и экологии, так как мощность вскрышных пород в отдельных случаях может достигать десятков метров, а отходы составлять более половины от массы перерабатываемого сырья.
Целью данной работы было изучение возможности использования вскрышных пород (тяжелых суглинков, тонких кварцевых песков) и отходов обогащения рудных (титаноциркониевых) песков восточной части Константиновской россыпной залежи Ставропольского края в производстве керамических изделий строительного назначения (стеновых и теплоизоляционных).
На практике, особенно на ранних стадиях геологоразведочных работ, не всегда удается достоверно выявить области применения исследуемого сырья (вскрышных пород и отходов обогащения), так как при этом для его изучения используют только аналитические методы, которые включают минералогические, физические, химические, физико-химические и др. анализы. Поэтому для оценки качества сырья были дополнительно выполнены технологические испытания, результативность и информативность которых на новых, еще не изученных объектах, значительно эффективнее [1-4].
В массе суглинки в одних участках (интервалах) керна имеют темный желтовато-бурый цвет, в других - серый со слабо зеленоватым оттенком. В результате сушки керн преимущественно желтовато-бурого цвета становится трещиноватым, а керн серого цвета остается практически без каких-либо деформаций. В измельченном состоянии суглинки характеризуются однородной желтовато-бурой окраской.
В составе исходных суглинков присутствуют как тонкозернистые (-0,5+0,0 мм), так и крупнозернистые (-16,0+0,5 мм) образования в количестве 98,76 и 1,24 % соответственно.
В результате оптико-минералогических исследований в составе суглинков установлено присутствие следующих минеральных фаз: глинистых минералов, кварца, полевого шпата, гипса, слюды, карбонатов, зерен темноокрашенных минералов и др.
Карбонаты встречаются в виде небольших отдельных скоплений, микрокристаллов (друз), а также в тонкорассеянном состоянии. При воздействии на суглинки соляной кислотой отмечается вскипание, обусловленное наличием мелкокристаллического карбоната. Кварц находится в виде мелких угловатых зерен разнообразной окраски и прозрачности. Полевой шпат распространен в виде отдельных, неодинаковой формы, зерен розового цвета. Гипс представлен мономинеральными прозрачными или полупрозрачными (замутненными) агрегатами различной формы. Размеры агрегатов не превышают 5 мм. Темноцветные (преимущественно черной, коричневато-черной красновато-коричневой окраски) минералы присутствуют в виде отдельных образований, а также агрегатов зернистой или округлой (шаровидной) формы. Слюда бесцветная прозрачная или коричневая, находится в виде тонких пластинчатых агрегатов небольшого размера. Отдельные мелкие частицы карбоната совместно с зернами кварца, слюды и темноокрашенными минералами образуют различной формы скопления (агрегаты), сцементированные в основном микропористым карбонатным цементом желтовато-бурой окраски.
По количеству (от 1 до 5 %) крупнозернистых включений размером больше 0,5 мм суглинки согласно ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация» относятся к группе глинистого сырья со средним содержанием. По размеру преобладающих крупнозернистых включений суглинки можно отнести к группе глинистого сырья со средними включениями. Содержание включений размером от 1,0 до 5,0 мм со-
ставляет 46 %, т.е. приближается к 50,0 %. По виду преобладающих крупнозернистых включений суглинки относятся к группе глинистого сырья с карбонатными включениями.
Крупные включения фракции -16,0+0,5 мм в пробе суглинков находятся в виде мономинеральных образований и сложных полиминеральных агрегатов. Мономинеральные образования сложены гипсом или кварцем, а полиминеральные агрегаты состоят из группы мелких различных минералов -зерен кварца, чешуек слюды, минералов черной окраски, сцементированных карбонатным цементом. Максимальный размер сцементированных агрегатов составляет 16*13*8 мм. В других фракциях крупнозернистых включений помимо карбонатов, гипса и кварца присутствуют оолиты бурых железняков, оксидов железа и глинистые минералы.
Более глубокое изучение с применением оптического микроскопа показало, что характерной особенностью крупнозернистых включений фракции -5,0+0,5 мм является присутствие в них агрегатов преимущественно цилиндрической (трубчатой) формы. Такие агрегаты отличаются наличием сквозных и не сквозных (тупиковых) круглых отверстий (рис. 1).
Рис. 1 - Крупнозернистые включения фракции -2,0+1,0 мм
Отдельные агрегаты имеют по 2-3 отверстия. Внутренняя полость этих отверстий выполнена микроскопическими кристалликами. В соляной кислоте данные образования растворяются полностью за исключением незначительного количества находящихся в них нерастворимых минералов. По строению (по виду) такие образования имеют сходство с родом беспозвоночных ископаемых Stomatopora (ордовик - ныне) [5]. Приурочены они к отложениям Бешпагирской свиты средне-позднесарматского возраста (К 1 Ъб).
Гранулометрический состав пробы суглинков, измельченных в сухом состоянии до крупности -1,0+0,0 мм, был определен по результатам седимен-тационного анализа (с использованием цилиндра) в холодной водной среде без применения пирофос-форнокислого натрия. Основная масса суглинков представлена частицами алевритовой размерности -0,05+0,005 мм в количестве 59,5 %. Содержание глинистой размерности частиц -0,005+0,0 мм со-
ставляет 29,8 %, песчаной размерности частиц -1,0+0,05 мм - 10,7 %.
По классификации глинистых и песчаных грунтов суглинки относятся к тяжелым суглинкам, в которых содержание глинистой фракции находится в пределах 20-30 % [6].
По числу пластичности (16,1%) суглинки относятся к группе среднепластичного глинистого сырья, в зависимости от температуры спекания (меньше 1100°С) - к группе низкотемпературного спекания.
Анализ полученных результатов показал, что по вещественному составу, физическим и химическим свойствам суглинки отвечают нормативам ГОСТ 9169-75 и относятся к группе легкоплавкого глинистого сырья, которое применяется для изготовления кирпича глиняного обыкновенного, а также соответствует требованиям ТУ 21-0284739-12-90 «Сырье глинистое для производства керамзитового гравия, щебня и песка. Технические условия».
С целью подтверждения полученных сведений были проведены технологические испытания по определению возможности использования суглинков в изготовлении стеновых (кирпича) и теплоизоляционных (керамзита) керамических материалов.
Для улучшения свойств глинистого сырья используют природные и активированные технологические добавки [7]. В данном случае в суглинки в качестве добавки - отощителя водились пески вскрышной толщи верхнего рудного пласта (бешпа-гирская свита), а также песчаные отходы (хвосты) обогащения титаноциркониевых песков в количестве 10, 20 и 30 %. Согласно ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» по значению (0,08 и 0,05% соответственно) модуля крупности кварцевый песок относится к группе «очень тонкий».
В песках вскрыши содержание зерен фракции -2,0+0,63мм составляет 0,18 %, фракции -0,63+0,5 мм - 0,06 %, фракции -0,5+0,315 мм - 0,27 %, фракции -0,315+0,14 мм - 32,23 %, фракции менее 0,14мм -67,16 %. В песчаных отходах обогащения содержание зерен фракции -2,0+0,63 мм равно 0,35 %, фракции -0,63+0,5 мм - 0,13 %, фракции -0,5+0,315 мм -0,30 %, фракции -0,315+0,14 мм - 20,99 %, фракции менее 0,14мм -78,23 %.
На практике применение отощающих добавок, в частности песка, заметно уменьшает усадку образцов, которая является причиной возникновения брака. Частицы песка образуют в объеме образца некоторое подобие каркаса, который на определенной стадии сушки начинает препятствовать дальнейшей усадке. По мнению авторов [8] мелкодисперсный песок перестает выполнять специфические для кремнеземистых пород функции отощителя, который уплотняя пластичную глиняную массу, усложняет процессы влагопереноса при сушке.
Сведения об оптимальном гранулометрическом составе отощителя носят противоречивый характер, что, по всей видимости, обусловлено разнообразием минерального и гранулометрического состава используемого глинистого сырья, формовочными, сушильными и обжиговыми свойствами глинистых масс, ассортиментом выпускаемой продукции. В
одном случае специалистами рекомендуется использовать пески в качестве отощителя с суммарным содержанием фракций 0,630 - 0,315 мм и 0,315 -0,140 мм не менее 80 - 85 % [9]. Следуя этим рекомендациям, песок вскрыши и песок твердых отходов обогащения, в которых суммарное содержание указанных фракций составляет соответственно 32,74 и 21,77 %, не может быть использован в качестве отощителя. Другие специалисты предлагают в качестве отощителя применять пески фракции -2,0+0,5 мм. Но и в этом случае исследуемые пески вскрыши и песчаные отходы также являются непригодными в качестве отощителя, поскольку содержание в них зерен фракции -2,0+0,5 мм минимально (0,24 и 0,48 % соответственно).
Физико-механические свойства изделий зависят от количества и качества контактных переходных зон, образованных на границе раздела отощитель -глиняная матрица. Следовательно, целенаправленно формируя контактные зоны по этой границе, можно управлять эксплуатационными характеристиками готовой продукции.
Лабораторные сырцовые образцы изготавливались способом пластического формования в виде образцов-балочек (призматических образцов) размером 160 х 40 х 40 мм. Сушка образцов проводилась в естественных условиях, обжиг осуществлялся в муфельной электропечи при температуре 1000 0С. Технические характеристики керамики представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Свойства лабораторных керамических образцов
Содержание в смеси суглин глин-ков, % Свойства керамических образцов
Прочность, МПа Плотность Усадка Водо-по-
при изгибе при сжа тии средняя, кг/м3 общая, % глоще- ние, %
100 13,2 30,2 2030 10,6 10,1
90* 11,2 33,1 2010 9,4 9,8
80* 9,3 25,9 2040 8,1 10,3
70* 7,1 20,7 2060 7,5 10,2
90** 10,7 29,9 2000 9,3 11,0
80** 7,8 21,1 2050 8,0 10,2
70** 5,5 18,6 1990 7,5 10,1
Примечание: 1)* в качестве добавки сырьевая смесь содержит 10-30% песка вскрыши; 2)** - в качестве добавки сырьевая смесь содержит 10-30% песчаных отходов обогащения; 3) морозостойкость всех образцов составляет более 30 циклов.
Керамические образцы, сформованные из 100 % суглинков, не имеют дефектов внешнего вида. Прочность их при сжатии составляет 30,2 МПа, что обеспечивает возможность получения из них в производственных условиях керамического кирпича марки не ниже М150.
У керамических образцов, сформованных из сырьевой смеси, содержащей 10, 20, 30 % песка вскрыши, также не обнаружены дефекты внешнего вида. Прочность их при сжатии в зависимости от содержания технологической добавки составляет
20,7 - 33,1 МПа. В производственных условиях использование шихты такого состава обеспечит возможность получения керамического кирпича марок М100-М150.
Удовлетворительный внешний вид и у образцов, сформованных из шихты «суглинки (90,80,70 %) + песок из хвостов обогащения (10, 20,
30 %)». Они имеют прочность при сжатии 18,6 -29,9 МПа, что позволяет в производственных условиях получить керамический кирпич марок М100-М150 (например, кирпича нормального формата размером 250х120х65 мм). Возможно также получение крупноформатного (например, с номинальными размерами от 250x250 х188 до 510х 250х 219 мм) керамического камня марки не ниже М150, отвечающего требованиям ГОСТ 530-2012. Следует отметить, что из шихты «70 % суглинки + 30 % песок хвостов обогащения» прогнозируется получение камня более низкой марки М75.
По водопоглощению (больше 6 %) и морозостойкости керамические образцы отвечают требованиям ГОСТ 530-2012. После 30 циклов (минимальное 25 по ГОСТ 530-2012) переменного замораживания и оттаивания в водной среде у них отсутствуют видимые признаки разрушений - растрескивание, шелушение, выкрашивание, отколы, посечки.
Добавка (не выше 10 %) в суглинки песка из вскрышных пород приводит к увеличению прочности на сжатие керамики на 9,6 %. При большем количестве песка прочность при сжатии снижается на
14.2-31,4 %.
Введение в суглинки песка из отходов обогащения уменьшает прочность керамических образцов на 1,0-38,4 %.
Усадка образцов, содержащих песок, ниже на
11.3-29,2 % по сравнению с керамикой без технологической добавки.
Оценку суглинков как возможного сырья для получения керамзита проводили согласно ТУ 210284739-12-90. Для испытания изготавливались сырцовые гранулы диаметром 10 мм и высотой 10 мм из 100 % суглинков и из суглинков с органической добавкой (керосином), которая вводилась для улучшения вспучиваемости. Полученные гранулы высушивали до постоянной массы, а затем обжигали в муфельной электропечи по двухступенчатому режиму, обеспечивающему быстрый нагрев от температуры предварительного нагрева термоподготовки до температуры вспучивания 1100 °С.
В процессе обжига образцы (гранулы), сформованные только из одних суглинков, не вспучились, остались плотными, без видимых разрушений. Сырцовые образцы с органической добавкой (керосином) при таких же условиях обжига вспучились незначительно и при этом растрескались (рис. 2).
Утилизация суглинков, песков вскрышной толщи и песчаных отходов обогащения рудных песков будет способствовать улучшению экологической обстановки за счет уменьшения площадей, отводимых под отвалы вскрышных пород и отходов переработки основного полезного ископаемого, организации малоотходного (безотходного) освоения титаноцир-кониевого объекта и в целом повышению эффек-
тивности его использования. Кроме того, выявленная практическая область применения такого типа глинистого сырья (тяжелых суглинков) позволит уменьшить расходы на его промышленную оценку при проведении на данном объекте более детальных геологоразведочных работ.
Рис. 2 - Вид керамических гранул из суглинков с органической добавкой после обжига при 1100°С
По результатам технологических исследований можно судить о том, что суглинки не пригодны в качестве сырья для производства искусственного пористого заполнителя, отвечающего требованиям ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия», хотя по физическим и химическим свойствам они соответствуют требованиям керамзитового сырья по ТУ 210284739-12-90, согласно которым можно было обоснованно ставить более глубокие их исследования на промышленную значимость на последующих стадиях геологоразведочного процесса.
Таким образом, проведенные комплексные исследования позволили однозначно установить потенциальную возможность использования суглинков из вскрышных отложений для производства стеновых керамических материалов (кирпича и камней). Определена целесообразность использования в качестве отощителя нетрадиционного сырья - очень тонкого песка вместо применяемых на практике крупнозернистых.
Ориентировочно экономическая эффективность использования тяжелых суглинков, песка и зернистых отходов обогащения выразится в дополнительной стоимости недр титаноциркониевого объекта. Например, если приравнять цену тяжелых суглинков к цене тяжелых глин на внутреннем рынке, то она составит от 450 до 750 руб./т и больше. Стоимость очень тонкого песка вскрыш и зернистых отходов обогащения, приравненного к стоимости строительного песка, варьирует от 100 до 500 руб./т. и больше. В случае промышленного использования исследуемых песков в качестве отощителя становится возможным снижение расхода суглинков на изготовление керамических стеновых материалов и как следствие уменьшение их стоимости. Кроме того, промышленное освоение тяжелых суглинков и очень тонкозернистых песков может обеспечить увеличение занятости населения и повысить рост экономического потенциала региона.
Литература
1. А.Э. Латфуллин, В.П. Лузин, С.О. Зорина, Л.П. Лузина. В сб. Проблемы геологии твердых полезных ископаемых Поволжского региона. «Дизайн Архитектурной среды», Казань,1997. С. 149-150.
2. В.П. Лузин, Л.П. Лузина, С.О. Зорина, В.Г. Суховерков. В сб. Геология и современность. «Мастер Лайн», Казань, 1999. С. 92.
3. Пат. РФ (RU) 2158242 (2000).
4. Grin R.E. Application of the cjmposition of clays in the field of ceramics, Applied Sedimentation. New York. 1950. P. 472.
5. О.Б Бондаренко, И.А. Михайлова. Краткий определитель ископаемых беспозвоночных. Недра, Москва, 1969. 480 с.
6. Г.С. Бурлаков. Основы керамики и искусственных пористых заполнителей. Высшая школа, Москва, 1972. 424 с.
7. Д.С. Цыплаков, А.В. Корнилов, В.А. Гревцев, Е.Н. Пермяков, Вестник Казанского технологического университета, 19, 163-165 (2015).
8. Т.В. Вакалова, В.М. Погребенков, В.И. Верещагин, Строительные материалы, 7, 14-16 (2002).
9. А.В. Токарев, В.Г. Безродный, Е.К. Степаненко, Строительные материалы, 2, 33-35 (2001).
© В. П. Лузин - канд. геол.-мин. наук, ведущий науч. сотр. отдела технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru; А. В. Корнилов - д-р техн. наук, доц., гл. технолог отдела технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru; В. П. Сютин - гл. геолог ОАО «Кольцовгеоло-гия», e-mail: colgeo@yandex.ru; В. В. Морозов - ведущий геолог ОАО «Кольцовгеология», e-mail: colgeo@yandex.ru; Л. П. Лузина - ведущий инженер отдела технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru; Р. Р. Самигуллин - ведущий инженер отдела технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru.
© V. P. Luzin - сandidate geologo-mineralogical sciences, leading staff scientist at the Department of technological tests in FSUE «CNIIgeolnerud», email: technology-geolnerud@yandex.ru; A. V.Kornilov - doctor of Technical Sciences, Chief technologist at the Department of technological tests in FSUE «CNIIgeolnerud», е-mail: technology-geolnerud@yandex.ru; V. P. Sutin - chief geologist of the Open joint-stock company " Koltsovgeology", e-mail: colgeo@yandex.ru; V. V. Morozov - senior geologist, Open joint stock company " Koltsovgeology", e-mail: colgeo@yandex.ru; L. P. Luzina - leading enginer at the Department of technological tests in FSUE «CNIIgeolnerud», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru; R. R. Samigullin - leading enginer at the Department of technological tests in FSUE «CNIIgeolnerud», e-mail: technology-geolnerud@yandex.ru.
