Бентонитовые глины ибата и использование их в производстве керамзита

Интенсивный рост промышленности по производству строительных материалов ставит задачу поиска сырьевых ресурсов, пригодных для производства экономически выгодных строительных материалов. Перспективным является сырье для производства легких заполнителей бетона, типа керамзита, получаемых путем обжига легкоплавких глин. В связи с этим, выявленные ресурсы бентонитовых глин в Южном Казахстане могут служить сыревой базой крупных предприятий для удовлетворения потребностей многих отраслей промышленности. Бентониты Казахстана по лабораторным испытаниям и химическим свойствам делятся на щелочные (І и ІІ горизонтов ханабадской и сузакской свит Кынгракского, Дарбазинского и Чардаринского месторождения) и щелочноземельные (бентониты ІІІ горизонта чаганской свиты Урангайского, Атабайского и Ибатинского месторождениях Турестанского района), которые пригодны для оклейки вин, производства керамзита, рафинирования растительных масел, изготовления буровых растворов в качестве связующего формировочного материала в литейном и обеливаюшем производстве.

В процессе полевых исследований по подсчетам запасов бентонитовых глин месторождения Ибата, пригодных для производства керамзитовых материалов выполнены в основном общие силикатные, солевые химические, гранулометрические, петрографические и минералогические анализы. Исследования проводились в ТОО ПИЦ «Геоаналитик», а полевые исследования проводились совместно с ТОО «Алекс Минерал Компани», на основании технического задания, выданного согласно договора №16 от 15.04.2011 года. Совместные поисковые работы проводились в юго-западной части Большого Каратау возвышенности Бозтан в Туркестанском районе. Полезное ископаемое месторождение Ибата представлено единым пологозалегающим пластом бентонитовых глин, разведанным по промышленным категориям на площади 46,48 га. По падению пласт прослежен на 770 м, по простиранию на 600 м [1].

Геологический разрез района в литологическом отложении характеризуется следующим (сверху вниз) порядком:

1.Глина тонкослойная, монотонной толщи зеленых глин, сохраняющих примерно одинаковый состав, структуру, текстуру глины представлены отложения байгакумской свиты 16- 20м. В морских эоценовых отложениях региона локализованы месторождения бентонитовых глин, опок, строительных песков, проявления зернистых и желваковых фосфоритов мошностью 0,3- 0,4м.

2. Глина карбонатная и опоковидная, с прослоями мергелей, глинистых песков и карбонатных песчаников яныкурганской свиты, мощность слоя 12-15м. Встречаются линзы и прослои желтовато-бурых зернистых фосфоритов мощностью 0,01-0,02м. В породах содержатся многочисленные фосфатизированные остатки рыб, моллюсков.

3.Морские отложения кайнарбулакской свиты можно разделить на три слоя:

  • нижняя сложена темно-серыми алевритистыми глинами, кварц-глауконитовыми песками и песчанниками. Зачастую, в её подошве встречаются линзы и прослои черных желваковых фосфоритов гравийной размерности, содержащих зубы и костные остатки рыб, при мощности пласта 14-15м.
  • средняя представлена шоколадно-коричневыми алевритистыми глинами с тонкими прослойками песков и алевритов, мощность слоя 15-18м.
  • верхняя вновь сложена темно-серыми глинами с прослойками глауконитсодержащих песков.
  1. Глина зеленовато-серая, капланбекской свиты переслаивается с буровато-серыми доломитизированными карбонатными глинами, алевролитами, песчанниками, известняками, доломитами, реже - ангидритами. Известняки и доломиты зачастую переполнены обломками раковин моллюсков (так называемые «бухарские» известняки), мощность слоя 11-114м.
  2. Песчанники красноцветные темирчикской свиты, представлена карбонатизированными глинами аллювиально-пролювиального генезиса, континентальный цикл мезозой-кайнозойского седиментогенеза района, при мощности пласта 11-13м.
  3. Пески кварцевые, серые, желтовато-серые, мелко-средне-зернистые. Они представляют собой толщу аллювиальных и дельтовых отложений, сложенных кварцевыми, кварцево-слюдистыми песками и рыхлыми диагонально-слоистыми песчанниками с подчиненными прослоями известниковых песчанников того же состава. Содержат линзы и прослои зеленовато- серых глин, гравелитов. Изредка встречаются пласты известняков с рассеянной галькой кремнистых пород и кварца, мощность слоя 22-23м.
  1. Песчанники континентальные шоктасской свиты представлены красно-бурыми, пестроцветными континентальными песчанниками, алевролитами, алевропесчанниками, реже глинами. Для пестроцветных разностей пород характерна тонкослоистая текстура, в прочих разностях часто встречается косая слоистость дельтового типа, при мощности пласта 8-9м.
  2. Пески туранских отложений представлены темно-серыми, голубовато-серыми песками, песчанниками, реже чистыми глинами и алевритами с обугленным растительным детритом, а также с прослоями и линзами ракушняков, карбонатных глин и мергелей, развитыми в юго- восточной части Сырдарьинской впадины. По текстурно-структурным признакам пород, наличию в разрезе мергелей и ракушняков, частой находке в отложениях обломков ракуши моллюсков определяется прибрежно-морской генезис осадков свиты, мощность слоев 7-9м.
  3. Глина карбонатизированная красно-бурого, буровато-розового цвета с зеленовато- голубоватыми пятнами эпигенетического восстановления шаштюбинской свиты. В ней присутствуют прослои и линзы алевролитов и глинистых песчанников. По текстурно-структурным признакам породы свиты имеют элювиально-пролювиальное происхождение, мощность пласта 14-15м.

Первый горизонт бентонитового месторождения является основным сырём для карьерной добычи для производсва керамзита. Выше описаный разрез относится к морским отложениям эоцена, ниже залегают пески и песчанники с обломками железененных остатков ракушняков, характерных для отложения туран-сеномана [2]. Лабораторным исследованиям подвергались бентонитовые глины из образцов отобранных в обнажении. В таблице 1 приводятся результаты комплекса лабораторных работ гранулометрического и химического составов по пластичности глин из бентонито-земельных пластов.

Таблица 1. Средний химический состав и предельные содержания окислов бентонитовой глины по месторождению Ибата

Компоненты

Содержание, %

начальное

исходное

среднее

Na2O

0,22

0,40

0,30

MgO

0,31

1,25

0,63

Al2O3

14,16

17,20

16,10

SiO2

50,62

54,89

52,89

P2O5

0,01

0,08

0,04

K2O

1,46

1,71

1,52

CaO

2,25

5,26

4,92

TiO2

0,20

0,41

0,33

FeO

1,99

2,77

2,66

Fe2O3

4,98

6,16

5,92

п.п.п.

13,45

18,80

14,42

SO3 (общ.)

0,04

0,33

0,20

Анализы химического состава показывают достаточно высокое содержание глинистых частиц и большую однородность сырья с достаточным количесвом газообразующих веществ

В результате полевых наблюдений и практических исследований установлено, что это однотипные по минеральному и гранулометрическому составу породы табачно-зеленого (серо- зеленого) цвета, массивной, реже (с поверхности), тонкоплитчатой и порошковатой текстуры, алевропелитовой структуры. С поверхности (0,2-0,3м) в дегидратированных тонкоплитчатых глинах по плоскостям рассланцевания отмечаются редкие налеты гидрооксидов железа. В них же иногда развивается мелкокристаллический полупрозрачный гипс. По данным определений гранулометрического состава глин средние содержания частиц алевритовой размерности в породе составляет 25,9%. В том числе – среднее содержание крупноалевритовой фракции (0,05-0,1мм) – 10,6%, мелкоалевритовой (0,01-0,05мм) – 15,3%. Среднее содержание частиц пелитовой размерности – 74,1%, в том числе – крупнопелитовой фракции (0,001-0,01мм) - 45,7%, мелкопелитовой (<0,001мм) – 28,4%. Физико-химические свойства бентонитового месторождения

показывают достаточно высокое содержание глинистых частиц и болшую однородность сырья с достаточным количеством газообразующих веществ.

По пластичности, глины относятся к первому классу (по Аттербергу), по предварительным подсчетам запасы Ибатинских глин составляют 20.000~ млн. тонн.

Основным породообразующим минералом бентонитовых глин является монтмориллонит (60-65%), второстепенными – гидрослюды, каолинит, палыгорскит, замечены редкие зерна пирита.

Из вредных примесей, ухудшающих стабильность глинистых растворов, на месторождении Ибата обнаружены гипс, фрагментарно отмеченный в узкой (0,2-0,3м) зоне гипергенеза глин, непосредственно выходящих на дневную поверхность.

Результаты термического изучения показали, что на термограммах наблюдаются эндотермические эффекты при температурах 120, 260, 360, 540 и 680о С и экзотермический эффект при 330о С. Эндоэффекты при 120 и 260о связаны с удалением гигроскопической влаги и адсорбированной межслоевой воды. Эффекты при температурах 360, 540 и 680оС соответствуют удалению химически связанных структурных вод. Экзоэффекты при 330оС характеризуют процесс окисления незначительного количества Fe+2 в Fe+3 и выгорание органических веществ. Эндотермические эффекты при температурах 100-300оС, 540, 680оС свидетельствует о присутсвии в составе глин монтмориллонита гидрослюды. Монтмориллонитовый (11,5; 4,47; 2,57; 1,65; 1,49; Ао), гидрослюдистый (3,21; 2,57; 2,12;1,49; Ао) минеральный состав Ибатинских глин подтверждается результатами дифрактрометрических исследований. Кристаллические структуры этих минералов с повышением температуры нагревания до 1050о С и выше начинают разрушаться, что на рентгенограммах отмечено как исчезновение и уменьшение интенсивности линий (4,47, 2,57, 1,65, 1,49,Ао, 2,18, 2,12, 2,08, 1,53, 1,43, 1,37, Ао,), характерных для монтмориллонитов и гидрослюды.

Увеличение температуры обжига до 1175 °С приводит к аморфизации структуры и на рентгенограммах полностью изчезают характерные для глинистых минералов рефлексы, остаются лишь линии, характерные для тугоплавкого кварца 3,34; 2,46; 1,81А ° .

Нагревание глинистого минерала до пиропластического состояния, в коротком интервале времени, приводит к одновременному газовыделению и размягчению материала, а также формированию вспученной структуры.

Как показали опыты по получению керамзита, при медленном нагревании глинистого сырья не происходит вспучивание, наоборот, наблюдалась усадка материала. Образцы исследуемого материла в виде шариков готовились пластическим способом. Их сушка осуществлялась при температуре 80-100°С, с 30-минутной экспозицией. Термоподготовку производили в широком интервале температур от 200 до 600°С. Оптимальной температурой термоподготовки оказался интервал в 350-400°С с продолжительностью 25-30 минут .

Уменьшение температуры термоподготовки приводит к растрескиванию образца во время обжига, а повышение температуры термоподготовки к ухудшению вспучиваемости, что связано с преждевременным удалением газообразных продуктов. После термообработки при 360-400°С, образцы нагревались в лабораторной электрической печи в интервале температур от 1025 до 1200°С и времени выдержки от 3 до 15 минут. При температуре обжига 1025°С вспучивание образца протекает медленно и мало зависит от времени выдержки. Выдержка образца при этой температуре даже в течение 15 и более минут не оказывает затемного влияния на вспучивание. Обожженный материал имеет объемную массу более 1г/см,2 .

Начиная с температуры 1050°С и выше вспучивание образца протекает пропорционально температуре нагревания 1150°С, где наблюдается постоянное повышение коэффицента вспучивания и понижение объемной массы вспученного материала. При температуре 1150 °С обоженный образец имеет самую минимальную объемную массу.

Дальнейшее повышение температуры обжига выше 1150°С приводит вновь к увелечению обьемной массы образца за счёт образования сваров. При температуре 1200°С наблюдается расплавление обожжёного материала. Следует отметить, что при высоких температурах обжига, процесс вспучивания сильно зависит от времени выдержки. При температуре, близкой к 1150°С с выдержкой образца в зоне обжига не менее 3 минут, не наблюдаются значительные изменения объёмной массы, связанные с недостатком времени для полного вспучивания, а при выдержке более 10 минут происходит сваривание обожжённого образца. При выдержке образца в интервале времени 5 – 7 минут, при температуре 1150°С вспученный материал характеризуется наиболее лучшими физико-механическими свойствами гипергенных преобразований в древних почвенных профилях - ДПП на двух стратиграфических уровнях: нижнем - галлуазит-монтмориллонитовом и верхнем – монтмориллонитовом.

В табл. 2 приведены физические характеристики природных бентонитов Ибатинского месторождения.

Таблица 2. Физические характеристики природных бентонитов Ибатинского месторождения

Литологические глинистые горизонты ДПП

Содержание глинистых частиц меньше 0,005 мм, %

Внутрикристаллическое набухание, число раз, от-до / среднее

Динамика дегидратации по состоянию при t,°C

Возвратной гидратации- дегидратации

Потеря способности к гидратации

Спекание

Расплав с превращением в муллит или шпинель

Верхний ДЛЛ - монтмориллонитовых глин:

10 – (а)

96

2,8-12,4 / 6,3

450

550

800

980

12 – (с)

99

3,2 – 12,8 / 6,7

400

550

800

980

13– (d)

96

1,2 – 16,2 / 7,6

350

40

800

940

14 – (е)

97

3,2 – 17,6 / 7,8

350

450

750

960

Нижний ДПП- галлуазит-монтмориллонитовых глин:

15 – (с)

Нет данных

450

600

860

970

Состав и общая обменная емкость катионов Na+, К+, Са2+, Мg 2+, охарактеризованы в табл. 3.

Таблица 3. Состав и емкость обменных катионов Na+, К+, Са2+, Мg 2+ бентонитов Ибатинского

месторождения

Литологические горизонты глин ДПП

Содержание обменных катионов

Сумма, мг·экв/100 г сухой глины

Коэффициенты

Модуль

Минералогический тип по соотношению обменных катионов

Na+

K+

Са2+

Mg2+

SiO2

Al2O3

Na+ + K+ Cа2++Mg2+

Cа2+

Na+

Верхний ДЛЛ - монтмориллонитовых глин и кирасы:

10–(а)

26,2

0,3

18,6

19,5

64,6

4,21

0,70

0,71

Na+>Mg2+>>Са2+>>K+

12–(с)

40,6

0,3

25,8

21,3

88,0

2,48

0,88

0,63

Na+>Са2+>>Mg2+>>K+

13–(d)

35,5

0,3

22,3

17,7

75,8

3,48

0,89

0,63

Na+>Са2+>>Mg2+>>K+

14– (е)

25,9

0,2

42,9

27,8

96,8

2,86

0,37

1,66

Са2+>Mg2> >Na+>>K+

Нижний ДПП- галлуазит-монтмориллонитовый:

15– (с)

39,7

0,5

25,4

18,3

83,9

3,33

0,92

0,64

Na+>Са2+>>Mg2+>K+

15–(d+e)

30,5

0,5

23,4

21,9

76,3

3,99

0,68

0,77

Na+>Са2+>>Mg2+>>K+

Таким образом, Ибатинские проявления бентонитоподобных глин являются тонкодисперсными, пластичными и по физико-химическим свойствам они пригодны для получения высококачественного керамзита без добавления органических и других веществ.

Оптимальной температурой и временем обжига для получения из Ибатинских глин вспученного материала, отвечающего требованиям ГОСТа, является 1150°С с 5—7-минутной экспозицией и плотностью 600-650.

Достаточный запас изученных глин, близость их к промышленным центрам (35 км от г. Туркестана) и наличие асфальтированной дороги создают благоприятные условия для производства керамзита.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Иванова В.П., Касатов Б.К., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. Л, 1974, с. 39,9.
  2. Геология СССР Под ред Ш.Е.Есенова том XL Южный Казахстан.Полезные ископаемые. М., 1977,с. 289-291.

 

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...