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陶粒原料浅析(一)

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-7     浏览次数:    
  陶粒原料浅析(一)
  人造轻集料(骨料)——陶粒自1956年在我国问世以来,已有50多年的历史,这几十年中经过了研发、初具规模至快速发展的历程。目前,我国不仅是陶粒生产大国之一,而且在生产、应用技术方面也都得到了较快发展。如陶粒成球(制粒)工艺从干法、半干法到塑化法;装备向大型化,控制向自动化方向发展,陶粒品种由超轻陶粒、普通陶粒发展到高强陶粒;除粉煤灰陶粒、黏土、页岩陶粒外,逐步开发出其他废渣陶粒、火山岩陶粒。同时陶粒混凝土及其制品的应用发展也很快,从陶粒混凝土内、外墙板、楼板到桥梁工程;从保温隔热、防腐垫层到陶粒混凝土砌块。随着高层和节能建筑的快速发展,陶粒混凝土也广泛用于高层与节能建筑。此外,陶粒在石油、化工、农业、填料、滤料等领域也开发了新的用途。
  但是,对烧制陶粒的原料(资源)的研究不够,或者说对原料研究满足不了陶粒产业不断发展的需要,具体表现在以下几方面。
  (1)陶粒矿产地质工作至今无工作规范,只有“陶粒矿产”一般工业要求,如何开展陶粒矿产地质工作,怎样评审陶粒矿产地质报告,缺乏依据。
  (2)全国有140多家陶粒生产企业,其陶粒矿山进行过地质工作或地质评价的不多。既然是矿产,开发前务必进行地质评价!否则企业对矿石的质量、资源量、焙烧工艺性能的依据是什么呢?
  (3)凡可用来烧制陶粒的物质(料)叫陶粒原料,或称陶粒资源,包括陶料矿产资源、废渣资源及其他资源三大类。由于对陶粒原料研究不多,不少单位研发与建设陶粒生产线时也难免走些弯路。如优选陶粒原料不当,可能造成舍近求远或取劣弃优的失误;又如本可不需外加剂或添加一种外加剂就能烧制陶粒的原料,却往往选用多元配方,增加工艺复杂性和生产成本;再如废渣与其他资源不是陶粒矿产,其性能、用途另有所长,拟用它们研发陶粒时应该用其所长,避其所短。但因对这类资源不甚了解,常为利废而出现功半事倍的事例。
  要使陶粒原料研究能适应陶粒生产与技术不断发展的需要,就必须在拟建陶粒生产线前对陶粒原料作正确评价。对陶粒矿产资源应健全地质工作规范及评审地质报告制度;对废渣及其他资源要研究其物质组成、理化及工艺性能、排放与储存量、生产陶粒的可行性等。使研发的陶粒具有最佳的经济与社会效益。
  我们在大量查阅国内期刊文献与全国陶粒矿产调研基础上,结合我们陶粒矿产地质工作与陶粒生产实践,撰写成文,供有关人员参考。
  2 陶粒矿产资源
  地球上能满足陶粒矿产要求的岩、土较多,概括起来有黏土质岩类和火山岩两类。
  2.1 黏土质岩类陶粒矿产陶粒用黏土质类矿产是由母岩(沉积岩、岩浆岩、火山岩、变质岩等)风化、崩解作用后的岩石、矿物细屑经重力、水力、风力及冰川等外力搬运至适当的环境沉积下来,再经成岩作用而形成的岩、土。
  陶粒用黏土质岩类矿产主要特点:一是以黏土矿物(伊利石、水母、蒙脱石、高岭石、绢云母、绿泥石、沸石等)为主,一般含量应大于40%;二是岩、土的颗粒度应以泥级为主,小于0.005mm粒级应大于50%,而大于0.05mm粒级应小于25%;再者不需加外加剂就能烧胀,且烧胀温度范围为1100~1250℃。
  这类陶粒矿产由于成岩作用的强弱不同,又可分未成岩的陶粒黏土与成岩的页岩陶粒矿产两类。
  2.1.1 未成岩的陶粒黏土(泥)矿产这类矿产多在地质时期的第四纪(Q)形成,其成岩时间短,成岩作用也弱,黏土未成岩,为松散状,遇水即成泥,各种水域中的泥,均多属现代沉积,即全新世(Q4)。这类矿产多为可耕地,为了节土、节地和国民经济可持续发展,不少地方已开始禁止使用黏土制品,上世纪虽然开发并大量生产了黏土陶粒,而现在已经不宜发展了。但作为矿产资源而论,不能不予以介绍。
  陶粒黏土矿产根据搬动外力的不同,有残积、坡积、洪积、冲积、风积、淤积等之分。
  2.1.1.1 残积黏土矿所谓残积黏土是指母岩风化、分解成黏土后尚未被搬运,残存在母岩的表层,所以又称原生土或山土。此类黏土矿随母岩岩性、结构构造不同,风化层厚薄不一,若母岩为泥岩、页岩等较软,风化层就厚些,这类黏土矿主要分布在我国南方,多以褐灰、黑灰色为主,具有烧胀性。如云南可保煤矿的覆盖层。
  2.1.1.2 坡积黏土矿是母岩风化成黏土后,因受重力与雨水作用短距离搬运,由山体上搬运至山麓低平处。此类黏土,因分选差,土中常夹有粗碎屑颗粒,很少形成矿床,只有在陶粒页岩矿山的外围低洼处才有少量矿点分布。
  2.1.1.3 洪积黏土是暴雨与洪水将黏土物质搬动至较长距离的平坦处。洪积物经过分选,黏土分布在洪积裾或扇或河漫滩边缘。黏土多为褐灰、草灰、黄灰色,多数洪积黏土都具有烧胀性,如乌鲁木齐市华兴陶粒厂的黏土矿就是洪积形成的。这类矿产多分布在山前、山间盆地。
  2.1.1.4 冲积黏土母岩风化产物(岩矿碎屑)沿江、河、溪流等水系,经过长期、长距离搬运分选,在水系的平缓或中、下游地段沉积下来形成冲积平原,我国地势西高东低,东部有华北平原、长江中下游平原,广东的珠江三角洲平原,潮汕平原及陕西关中平原等。这些冲积平原中就赋存有大量的陶粒黏土矿产。由于这些平原多属肥沃的可耕地,为了节土、节地和经济可持续发展,不宜发展黏土陶粒。但我国20世纪开发与发展的陶粒主要是黏土陶粒,作为矿产资源而言,不能不介绍。冲积黏土并非都能满足陶粒矿产要求,随着风化物质来源不同及沉积环境各异,有的地段冲积黏土也不具烧胀性,如上海金山黏土就不能烧胀,而天津的黏土不添加膨胀剂就能烧制超轻陶粒。
  2.1.1.5 风积黏土风积黏土是指母岩风化产物的细屑和先期形成的黏土,经风力搬在适当环境沉积形成的黏土矿,一般称黄土。此类黏土含粉砂量略高,一般不具烧胀性。如北方的黄土高原的黏土就不能满足陶粒矿要求,只有在赋含有机质或腐植质的黄土才能烧陶粒。一般陶粒用黏土多为褐黄、姜黄、褐灰色,塑性指数大于7。
  2.1.1.6 陶粒用泥陶粒用泥是指各种水域里沉积的泥积物,如江、河、海、湖、港、塘、水库等水域下的泥、淤泥、海泥、河泥、湖泥等,之所以将泥划规陶粒黏土矿产,是因为它是地质年代的第四纪全新世沉积物,这些泥质物多以SiO2、Al2O3为主要成分,不少水域里的泥,不需添加剂也能直接烧制陶粒。开发泥类陶粒原料,有疏竣航道、开拓水域、净化水体、保护环境等优点,是陶粒黏土类矿产唯一值得开发的。我国有较多的水域:港湾、湖泊(如太湖、滇池、博斯腾湖)、河流、水库、鱼塘等资源十分丰富,不少淤泥不需添加膨胀剂就能直接烧胀,如广州华穗陶粒用的江河淤泥就能烧胀。又如表1中的淤泥化学成分及烧陶粒情况。

  2.2.2 陶粒用黏土岩矿产黏土岩类陶粒矿产,就是松散的黏土堆积或未固结的黏土层在200℃左右温度与几十个大气压条件下,经漫长的脱水、挤压等成岩作用形成的沉积岩。这类岩石的主要化学成分是SiO2、Al2O3,矿物成分仍以黏土矿物为主,所以总称黏土质岩类。根据成岩与变质作用由弱至强,依次所形成泥岩—页岩—板岩—千枚岩等。

  2.1.2.1 陶粒用泥岩矿泥岩矿是黏土沉积物已固结成岩,无明显层理而成土状结构块状构造,局部失去塑性,遇水即软,且黏土颗粒向水域分散,其化学成分与矿物组成和原黏土成分一样,无重结晶等变质现象。泥岩也和黏土矿一样,根据泥岩的含粉砂量多少分为:泥岩(泥级颗粒95%);含粉砂泥岩(含粉砂5%~10%);粉砂质泥岩(粉砂粒级占10%~25%)。红色、棕红色泥岩多数不能烧胀。如我国南方特别是四川盆地的红、棕红色泥岩(石股子)均不宜作陶粒矿来开发。
  一是属可耕地,二是膨胀性极差。只有深灰、灰黑、姜黄等色泥岩才具有烧胀性,这类泥岩多赋存在中生界及新生界的老第三系地层中。如甘肃兰州的酱红色泥岩。泥岩的化学成分为(%):SiO249~55,Al2O314~20,FeO35~9,CaO+MgO6~10,R2O2~4烧失量8~10,烧制的陶粒堆积密度700~1100kg/m3。
  2.1.2.2 陶粒用页岩按岩石科学而言,页岩与泥岩均是以黏土矿物为主,矿物或岩屑颗粒粒径多在0.01mm以下的碎屑沉积岩。页岩是比泥岩的成岩程度更深的岩石,页岩比泥岩坚硬,具有叶理或微层理。遇水不易软也不染手是与泥岩的根本别区。置于水中在短时间内水不会浑浊。不是风化程度较深的页岩不宜耕种。页岩的化学成分与矿物组成与原来的黏土或泥岩一样,没有变质即没有新矿物产生。页岩命名的依据不同,其品种繁多,根据有关资料介绍有170多种。现将可烧陶粒的主要品种简介如下:
  (1)页岩根据含粉砂量多少分为泥质页岩(含粉砂<5%),含粉砂页岩(粉砂占5%~10%)及粉砂质页岩(粉砂占含量10%~25%)。一般泥质页岩烧胀性最好,含粉砂页岩的烧胀次之,粉砂质页岩的烧胀性最差。但例外的也有粉砂岩,泥质粉砂岩也能烧胀,那是因为矿物组成不同。
  (2)按页岩中黏土矿物的易熔性可将页岩分为易熔性和耐熔性页岩两种。易熔性页岩中的黏土矿物主要是伊利石、水云母、蒙脱石,另含少量石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、褐铁矿和有机质等。这类页岩多数烧胀性好,且烧胀温度较低(1050~1190℃),而耐熔性页岩中的黏土矿物主要是高岭石,粒状矿物与易熔性页岩相近,此种页岩的烧胀性差,甚至不膨胀,且烧胀温度范围较高(多在1150~1250℃)。
  (3)根据页岩中特殊混入物可将页岩分为以下几种:
  ①炭质页岩:这种页岩含有大量分散的炭化了的有机物,但其灰分含量高达30%~50%,多呈黑、灰黑色,摸着染手,但不宜作燃料,作陶粒原料具烧胀性。这种页岩主要分布在煤系地层中,多为煤矿的围岩。如在新疆、山东、山西、陕西均有。
  ②黑色页岩:这种页岩中富含机质及细分散的炭质或黄铁矿、菱铁矿而呈黑色、褐黑色。页岩质纯,具有极薄的层理,叶状构造发育,莫氏硬度3~4,外貌好似炭质页岩,但不染手,新鲜页岩不渗水,多数赋存在早古生界地层中。
  ③钙质页岩:指页岩中CaCO3含量在10%~20%,黏土矿物占75%~80%。此种页岩烧胀温度较低,但烧胀性也差。这种页岩主要分布在石灰岩的顶、底板。如广东、广西、内蒙、山东、天津等省市。
  ④铁质页岩:页岩中含有二价铁的氧化物(赤铁矿、褐铁矿)时,页岩为酱灰色、紫红色,若含二价铁的硅酸盐(海绿石)、硫化铁(黄铁矿)时,页岩呈灰绿色,此种页岩的烧胀性差,烧胀温度范围也较低,主要分布在湖南、湖北及山东、山西等省。
  ⑤笔石页岩:此种页岩是指页岩中含有较多的笔石化石,主要赋存在奥陶、志留系地层中,页岩多赭灰色、黑灰色,烧胀性较好,可以烧制普通陶粒与超轻陶粒。主要分布于广东、湖北及长江三峡地区。
  ⑥油页岩“是指页岩中含有5%~15%沥青或石油,常呈黑色或棕黑色,风化后为黄灰色,岩石易成岩片,比重轻,岩含油较多时,新鲜薄岩片可以点燃。此种页岩具有烧胀性但污染环境较重。必须综合开发,先蒸镏石油后,再利用废渣生产陶粒最好。
  2.1.2.3 板岩板岩是黏土沉积物在漫长地质时代中,由于成岩作用,构造变动,岩石经受了一定程度的变质作用,比页岩的成岩程度更深,岩石坚硬,变晶结构,板状构造,也叫浅变质岩。板岩的化学成分与页岩相近,但矿物组成有重结晶及新矿物产生,如有水云母、高岭石、黄铁矿、绿泥石等。烧胀温度更高,多在1150~1300℃之间。如甘肃省靖远县刀楞山陶粒粉砂质板岩的烧胀温度为1050~1300℃,最佳膨胀温度是1250℃。膨胀率1.11~5.43,平均2.38。
  最佳烧胀时间5~11min。该板岩的化学成分(%):
  SiO259.82,Al2O316.89,Fe2O37.14,CaO+MgO4.37,K2O+Na2O4.53,烧失量5.64。板岩也因含粉砂量而分为:板岩(含粉砂<5%)含粉砂板岩(粉砂占5%~10%)及粉砂质板岩(粉砂含10%~25%)。
  2.1.2.4 千枚岩陶粒用千枚岩也是黏土沉积物在漫长的地质时代中,经成岩作用,构造变动,变质作用形成的中变质岩。岩石特征:具丝绢光泽,变晶结构,千枚状构造。矿物组成多数重结晶,产生较多的新矿物。如水云母、绢云母、绿泥石等。此种矿产一般不宜烧陶粒,因为烧胀温度较高,除失去结晶水后,还要破坏晶格能后才能烧胀,所以,一般烧胀温度1200~1350℃左右。如新疆的尼勒克河中上游及塔尔巴哈山南坡就有陶粒用千枚岩矿分布。
  2.2 陶粒用火山岩用火山岩生产陶粒是上世纪末开始研发,本世纪初就已经产业化。根据研发和生产实践证明,可作为陶粒矿用的火山岩主要是珍珠岩、流纹岩、粗面岩等。
  2.2.1 陶粒用珍珠岩矿1940年首次用酸性火山玻璃质熔岩生产膨胀珍珠岩轻集料后,开发应用范围和用量不断增加,作为隔热保温材料、轻质建筑材料、助滤剂等。随着工业技术和建筑业的发展,膨胀珍珠岩的用途更加广泛,已成为发展现代工业不可缺少的原料。但这种膨胀珍珠岩轻集料虽然是由酸性火山玻璃质熔岩,经破碎、预热、焙烧而成,但无釉质或玻璃质表壳,多孔结构开放,堆积密度<250kg/m3,强度也低于0.2MPa,吸水率极大,重量吸水率一般为200%,体积吸水率为30%,不具陶粒特征。直到20世纪末才有人研发出珍珠岩陶粒。人们把能生产膨胀珍珠岩的矿物原料在工业上统称为“珍珠岩”,它与岩石学上的“珍珠岩”的含义不同。前者是指生产膨胀珍珠岩的火山玻璃质熔岩的总称,它包括岩石学中的珍珠岩,黑曜岩、松脂岩等,而岩石学中的“珍珠岩”是把具有同心圆状或圆弧裂纹(珍珠结构)的天然酸性玻璃质熔岩叫“珍珠岩”,它与黑曜岩、松脂岩都是酸性的玻璃质火山岩,化学成分大致相同,主要是在含水率和颜色及结构方面有差别。
  凡是能生产膨胀珍珠岩的珍珠岩、黑曜岩、松脂岩不宜生产陶粒,因为能生产膨胀珍珠岩的矿石作陶粒原料不仅热工操作困难,而且是大材小用。
  凡不宜生产膨胀珍珠岩的矿石或膨胀珍珠岩的尾矿渣恰好是生产超轻陶粒的理想原料。这类酸性玻璃质火山岩的理化性能如下。2.2.1.1 一般性能陶粒珍珠岩包括黑曜岩、珍珠岩、松脂岩。
  黑曜岩:一般多为深色,有黑、深灰、深褐色等,玻璃光泽,具贝壳状断口,碎片不透明或半透明。常有少量透长石斑晶、雏晶,斑晶较多时叫黑曜斑岩。
  一般含水<1%,当含水1%~2%时称为水化黑曜岩,也具有膨胀性。
  珍珠岩:多为淡绿、淡灰、绿色、珍珠或腊状光泽,具有珍珠结构或同心圆状裂隙,一般没有或很少有斑晶,含水2%~6%。其变种有沸石化珍珠岩,沸石含量<20%;水化珍珠岩,含有较多的黑曜岩残留体。
  松脂岩:一般呈深色,有灰黑橄榄绿、褐红色等。
  松脂或沥青光泽,参差状断面,含水>6%。其变种有水解松脂岩,含有较多的沸石成分;水化松脂岩,由黑曜岩变质而成,含有黑曜岩残留体。
  在自然界,上述三种岩石常常共生在一起,可呈多种颜色,多为绿、褐、黑色。无解理,具不规则状和同心圆形旋涡状裂纹,贝壳状断口。粉末为白色,莫氏硬度5.2~6.4,比重2.32~2.34,耐火度为1300~1380℃。骤然加高温能膨胀4~30倍。
  珍珠岩的主要成分是酸性火山玻璃,其次有一定量的结晶水,还有数量不多的透长石,石英斑晶或雏晶及微量的角闪石、黑云母、磷灰石等矿物晶体。矿石常具玻璃质、玻璃质雏晶、玻璃质隐晶等结构;并具珍珠状构造、松脂岩的构造特征。块状构造是黑曜岩的构造特征。
  黑曜岩、珍珠岩、松脂岩均是酸性火山玻璃质熔岩,稳定性差,随着物理化学条件的变化,往往发生变化,形成星点、梅花状、串珠状、放射状和团块等雏晶和微晶,强烈时形成玉髓、长英质、沸石、黏土类矿物,从而失去玻璃质特征。
  2.2.1.2 化学成分(1)珍珠岩矿的化学成分接近流纹岩范围,化学上属酸性,在水中的pH值大致为7,典型的化学成分为(%):SiO271~76;Fe2O31.0左右;Al2O312~18;K2O+Na2O6~9;FeO+CaO+MgO1~4;H2O+3左右;金属氧化物少量。
  (2)世界上部分珍珠岩矿的化学成分为(%):
  SiO268~75;Al2O312~14.34;Fe2O30.2~1.5左右;CaO0.3~2.5;MgO0.1~0.8;K2O+Na2O3.5~9.0;H2O+0.1~9。
  (3)由于我国珍珠岩的成矿时代较早,矿石普遍经受了次生变化,如沸石化、蒙脱石化,化学成分也有所变化。据我国20多个矿区统计,其化学成分为(%):SiO261.8~79.05,一般在71左右;Al2O39.13~15.61一般在12左右;Fe2O30.15~8.03,多为1.65左右;FeO0.06~2.53;TiO20.03~0.55;MnO20.02~0.45;MgO0.02~1.05,平均为0.43;CaO0.40~5.47,平均为1.16;Na2O0.05~5.06,平均为3.46;K2O1.21~5.40,平均为3.25;H2O+0.01~11.96,平均为4.8;烧失量2.5~8.28。膨胀倍数1.7~38,一般在15~25倍左右。膨胀倍数低于15倍的珍珠岩矿,适宜生产陶粒用。
  我国沸石化珍珠岩的化学成分一般为(%):
  SiO262.99~69.25;Al2O312.34~13.39;Fe2O30.88~1.55;CaO0.28~4.38;Na2O0.34~2.77;K2O0.45~3.64;H2O+6.54~10.07。
  以上成分表明,我国珍珠岩的化学成分比世界珍珠岩的化学成分变化大。反映了我国珍珠岩矿床形成时代较早,在漫长的地质历史中次生变质深的特点。
  2.2.1.3 矿石类型珍珠岩矿石按原岩性质、结构构造和成因的不同,可划分不同的矿石类型。
  (1)按原岩性质可分为三种类型:
  ①黑曜岩型:主要是黑曜岩、黑曜斑岩和水化黑曜岩。后者也具有膨胀性,是理想的陶粒原料。
  ②珍珠岩型:有块状、多孔状和浮石状、珍珠状珍珠岩,变种有水解(沸石化)和水化珍珠岩。此类型矿石具有较好的烧胀性,是生产膨胀珍珠岩的主要原料,也是生产陶粒的原料。
  ③松脂岩型:主要是松脂岩,其次有水解和水化松脂岩。此类型矿石也具有烧胀性,可作为生产陶粒的原料。
  (2)按矿石结构构造可分为六种类型:
  ①玻璃质块状珍珠岩:矿石为玻璃质块状,有时含有数量不等的矿物斑晶、雏晶,主要有透长石、石英、云母及次生矿物沸石、蒙脱石等,含量超过3%时称为玻基斑状珍珠岩,是生产膨胀珍珠岩的主要矿石类型,但一般不宜作陶粒原料。
  ②流纹质珍珠岩:矿石的玻质或结晶矿物成定向分布呈流纹状构造,是生产膨胀珍珠岩的工业类型,也是陶粒的次要矿石类型。
  ③孔状珍珠岩:矿石的玻璃质中有明显的气孔状构造,根据气孔多少可分为气孔状、多孔状和浮岩状等类。我国内蒙古有此种矿石类型,气孔多影响烧胀性,但可满足烧制陶粒要求。
  ④碎屑珍珠岩:属喷发沉积成因,矿石多见重熔结构,碎屑状构造,碎屑有玻璃、岩屑、晶屑。一般烧胀性不好,只宜作陶粒原料用。
  ⑤土状珍珠岩:主要是水解珍珠岩,其次是沸石化珍珠岩。矿石表面呈污浊状、土状,有一定烧胀性,可作陶粒原料。
  ⑥角砾状珍珠岩:矿石具有角砾状构造,角砾有珍珠岩、流纹岩等,此种矿石烧胀性差,但作陶粒原料是可以的。
  (3)按成因可分为四种类型:
  ①原生珍珠岩:主要分布在喷溢火山岩中,常见有珍珠岩、黑曜岩、松脂岩型和混合型矿石,多为玻璃质块状、珍珠状和玻璃斑状构造,是生产膨胀珍珠岩的主要工业矿石类型,但不宜生产陶粒。
  ②水化珍珠岩:主要产于次火山岩和喷发火山岩中,常见有松脂岩、珍珠岩型等。多为玻质块状、流纹状和凝灰状构造,陶粒用矿石质量好,但不宜生产膨胀珍珠岩。
  ③再生珍珠岩:是原生珍珠岩被后期地质作用破坏—搬运—再堆积成矿的矿石类型。主要分布在火山喷发岩中,常见有黑曜岩、松脂岩型矿石,多为角砾状,碎屑状构造。成矿规模虽大,但质量欠佳。
  ④水解珍珠岩:是原生珍珠岩经水解作用形成的矿石类型。主要是沸石化珍珠岩矿石,在我国此类型占重要位置,是生产膨胀珍珠岩及陶粒的主要矿石类型。
  2.2.1.4 烧陶粒的工艺性能用于生产膨胀珍珠的矿石其烧胀4~35倍,若烧胀倍数低于4倍的矿或尾矿渣用来生产陶粒,其烧胀性也算是好的。只因珍珠岩的化学成分SiO2很高,而Fe2O3很低,故烧胀温度较高,且易粘结。陶粒表壳多为薄玻璃釉,且色浅,根据清华大学土木工程系冯乃谦教授用珍珠岩试制超轻陶粒成功。添加5%铁粉,以预热温度600~700℃,焙烧时间20min,焙烧温度1150~1200℃,焙烧时间3~10min,烧出了超轻陶粒。也有人选用水解珍珠岩、黑曜岩、松脂岩,以预热温度600~650℃,预热时间10~15min,烧焙温度1165~1175℃,焙烧时间7~9min,也烧出了超轻——普通密度陶粒。因膨胀珍珠岩的经济价值较生产陶粒高,故用珍珠岩来生产陶粒,尚未见产业化。
  2.2.2 陶粒用火山流纹岩、粗面岩流纹岩、粗面岩都是酸性火山岩,其分布、化学成分与珍珠岩接近。单独用(不添外加剂)流纹岩、粗面岩来生产陶粒还未产业化,按陶粒矿产定义,这两种岩石还不是陶粒矿产,但因这两种岩石的化学成分与花岗岩相近,特别是SiO2、Al2O3含量在陶粒原料要求范围内;又有以纯花岗岩粉在温度1200℃以上烧制出轻质骨材的事实,我们也曾以新疆富蕴县卡口尔得珍珠岩的围岩——流纹斑岩在实验室里烧胀过。烧胀的热工制度为:预热温度650℃,预热时间11min,焙烧温度1260℃,焙烧时间15min,烧出陶粒为黄灰色,次棱角状,强度高,吸水率低。鉴此,可把流纹岩、粗面岩视为陶粒矿产。有企业将这两种矿石添加粘结剂、助熔剂生产高强陶粒,添加外加剂目的是提高成球效率,降低烧胀温度,促进膨胀,节能经济。
  流纹岩、粗面岩均是酸性火山岩类,多赋存于火山岩带的火山岩、火山碎屑岩中(如英安岩、霏细岩、安山质凝灰岩、火山角砾岩等)。从火山岩形成的时空来看,我国的火山岩矿床主要产于大陆活动频繁的中生代,这个时代的火山活动形成北起黑龙江,南达海南,长3000km,宽300~800km的火山岩带。此岩带可以划分成三个亚带;第一亚带——大兴安岭、燕山亚带,产地有河北、辽宁、山西、河南、内蒙、新疆等地:第二亚带——东北北部、山东亚带,产地有黑龙江、吉林、山东等省;第三亚带——东南沿海亚带,产地有浙江等。
  流纹岩、粗面岩矿石多为灰白、肉灰色、粉红色,玻质斑杂结构、粗面结构、流纹状与块状构造。
  主要矿物成分有石英、长石,次有玻璃质,有时还有少量暗色矿物黑云母、角内石。石英、长石有呈斑晶,也有呈隐晶质与玻璃质组成基质。其主要化学成分与花岗岩成分相近,一般为(%):SiO265~73;Al2O311~15;Fe2O32~3;CaO0.5~2;MgO0.3~0.6;K2O4~6;Na2O2~5;烧失量0.5%~2%,两种岩石硬度较大,莫氏硬度5~6。比重2.3~2.5。因为流纹岩与粗面岩的主要化学成分是SiO2、Al2O3,所以具有优良的耐火性和耐酸性能。又因火山岩喷发凝结时,SiO2及硅酸盐矿物多以纤维状、海绵状的融熔体存在,故又具有强的韧性和耐久性。矿石比起黏土质岩的烧胀性差。焙烧温度一般在1150~1200℃,流纹岩、粗面岩样粒的体积膨胀不明显,但在1200℃以后继续升温,其样粒开始软化膨胀,当温度升到1280℃恒温15~20min,可烧出普通密度陶粒。陶粒为黄灰、古铜灰色,玻璃釉,次棱角——次圆状,表观密度950~1200kg/m3,吸水率低,强度高。
  2.3 陶粒用沸石矿产2.3.1 概念沸石是由瑞典矿物学家克朗斯特德1756年研究冰岛玄武岩时在其杏仁孔洞中发现。因其具有美好的自形晶体和吹管加热时发泡而取名沸石。但直到20世纪30、40年代,人们才对沸石的结构、性质进行了系统的研究。沸石是一种含水的碱或碱土金属的架状铝硅酸盐矿物。已鉴定的天然沸石族矿物有43种,其中比较常见的有斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、钙十字沸石、毛沸石、片沸石、浊沸石等。其化学通式如下:
  (NaK)X(Mg、Ca、Sr、Ba)Y[AlmSinO(m+n)2]
  WH2O,式中X为碱金属离子个数,Y为碱土金属离子个数,m为铝离子个数,n为硅离子个数,W为水分子个数。由上式可以看出,天然沸石的化学成分是由SiO2、Al2O3、H2O和碱及碱土金属4个部分构成。SiO2和Al2O3两种成分约占沸石总量的80%,在不同的沸石矿物中,硅和铝的含量比例不一致。
  仅硅和铝及水含量不同,就可以构成不同的沸石矿物。据报道,沸石最大的硅铝比值可达100∶1,而最小者为1∶1,硅和铝呈现出有序排列。按照硅铝比值的不同,将天然沸石Al划为高硅沸石(Si∶Al>4∶1),如丝光沸石;中硅沸石(Si∶Al=2∶1~4∶1),如柱沸石;低硅沸石(Si∶Al=2∶1),如镁沸石。硅铝比值的大小直接影响沸石的某些性能。
  碱金属或碱土金属数量有限,其氧化物的含量有限,一般为4%~6%,呈离子状态与SiO2和Al2O3结合在一起。据统计,53种沸石矿物中含钙的30种,其次是含钠的21种,不含钠和钙的沸石仅2种。
  H2O也是沸石的主要成分之一,含量一般在10%左右,最低在2%~6%之间,最高为13%~15%,个别可达18%以上。
  沸石晶体构造比较特殊,硅氧四面体和替代的铝氧四面体是沸石的基本构造单元。由此基本单元逐级组成单元环、双元环,再由这些元环构成主要为三维空间的架状构造的沸石晶体。这种晶体构造内部存在着排列规律、大小均匀、彼此相通,并与外界相连的大量孔穴和通道。沸石水就充填于晶体格架的孔穴和通道中,不进入结晶格架,与内部的引力比较弱,随外界条件改变时,沸石可以较自由地排除或重新吸入而不破坏沸石晶体的结构。
  沸石晶体之所以含碱或碱土金属,是因为硅为4价,替代的铝为3价,在铝氧四面体中出现电价不平衡,要由金属阳离子来补偿。
  沸石矿物主要构成斜方和单斜晶系,少数为等轴及三方晶系。沸石矿物大多组成纤维状、针状、叶片状、放射状或鳞片状集合体,有时也可成薄板状或薄片状单晶。
  2.3.2 矿床成因分类沸石是地壳岩石圈深度不超过7.5km的近地表的标型矿物,是一种常见的铝硅酸盐。它在岩石圈分布的广度和数量仅次于长石、石英、云母、黏土矿物和碳酸盐矿。凡沸石含量40%以上或NH+交换量大于100mg当量/100g的岩石才可称作沸石矿,矿床种类繁多,成因复杂。
  我国对沸石成因类型没有进行全国性的划分,仅对某区域或某省的沸石进行了划分,钱祖廉等在《沸石矿产资源战略分析》中以成矿地质作用为主,其次考虑到地质环境,原岩类型兼顾一般矿床学的分类及世界已经流行的分类,将沸石成因类型重新划分出晚期岩浆型、接触变质型、热液型、陆相开放水型(包括火山熔岩亚型、火山碎屑岩亚型、火山及正常碎屑岩亚型)、陆相封闭水型(盐碱湖型)、海相型、风化残余型、陨石冲击型、埋藏浅变质型等九大类型。这给我国进行沸石分类研究打下了基础,也给国内的沸石找矿勘探提供了资料。
  2.3.3 我国沸石矿产资源状况2.3.3.1 沸石的性能及用途在研发天然沸石烧制陶粒之前,沸石在国内外早已用作水泥的硬凝剂、造纸填料、处理工业废水等方面。随着开发应用范围扩大,我国用于海水提钾、制取钾盐和甲苯歧化、生产化工原料等方面。沸石之所以有广泛的应用价值,主要是它具有独特的内部结构和晶体化学性质,使其具有吸附性、离子交换性、催化性能、化学反应性、耐酸、耐热和耐辐射等性能。这些性能已广泛应用到建材、环保、石油化工、尖端技术及农牧业领域。
  2.3.3.2 我国沸石矿产的分布我国的沸石资源十分丰富,自1972年在浙江发现沸石以来,已经发现沸石的产地遍布我国各地区,全国除宁夏和贵州两省未见报导外,其他24个省、自治区均有沸石矿分布。从地理分布看,沸石产地多集中在东北、华北、山东及东南沿海省区,主要分布在中新代断陷盆地中,有火山熔岩和火山碎屑岩发育的地区,特别是沿塔里木——中朝古板块南北缝合线、华南古板块西部边缘和亚州现代板块东缘造山带地区分布。
  我国沸石产出时代较世界上沸石产出时代相对早一些,主要集中在侏罗和白垩纪,其次石炭、三迭系、第三和第四纪地层中也有少量分布,沸石岩产出时代大致呈现出由西向东、由北而南有逐渐变新的趋势。在沸石种类方面较老地层中的沸石为相对稳定的沸石,如方沸石、浊沸石;而侏罗、白垩系地层中主要是斜发沸石和丝光沸石,更新地层如第三、第四系地层中多为菱沸石、钙十字沸石。
  2.3.4 天然沸石陶粒的研制用天然沸石生产陶粒是清华大学冯乃谦教授于1995年研发成功的,并通过工厂生产窑试产,既为天然沸石矿开发了新用途,也为陶粒生产提供了新资源。冯教授对天然沸石的烧胀规律作了系统研究,研究采用天然丝光沸石作试样,将沸石矿样制成Φ3mm的圆柱粒,干燥后在实验室里试烧,以10℃/min的速度升温,从窑温加热至1500℃。结果:
  试件随着温度的升高,体积也发生变化。在加热到600℃以下,没有发现体积变化;到930℃左右,由于沸石的结构破坏,试件的体积收缩;升温到1150℃左右,体积收缩约20%。进一步加热发生膨胀;至1265℃左右,试件迅速熔融,体积膨胀增大,这是试件内部发生的气体压力与试件表层液相的黏度保持平衡状态。由于液相的表面张力作用,试件膨胀成球状。这时体积膨胀率约4.5倍,但超过这个温度以后,试件进一步熔融,液相的黏度太低,试件内部气体逸散,体积又进一步收缩,在1500℃时,试件全部熔融液化。又以斜发沸石为试件,按上述顺序加热,获得的最佳膨胀温度为1200~1350℃,比丝光沸石的烧胀温度稍低,但其膨胀规律大体相同。
  用天然沸石生产陶粒时,因料粒表面黏度大,易粘结,给烧陶粒带来困难,研究成果采用高灰分、灰分熔点高的煤为燃料,可解决天然沸石烧制陶粒粘结问题。1998年中国建材地质新疆总队也用吉木萨尔县五彩湾的丝光沸石在实验室烧出了普通密度陶粒。
  目前研发成果尚未产业化,随着节地、节能政策的贯彻,沸石资源的丰富,开发沸石陶粒在不久的将来即可实现。


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