Карбонатные породы

Промышленность использует различные карбонатные породы: осадочные известняки и их разновидность—мел, доломиты и их разновидность — доломитовую муку, мергели, гидротермальные травертины, карбонатные породы карбонатитовых комплексов, известковые туфы. Существует ряд классификаций карбонатных пород, в том числе кальциевых их разностей.

В промышленности используется и такое образование карбонатного состава, как «ракушка», представленное еще не литифицированным осадком, состоящим из раковин и их обломков (иелеципод и других организмов).

Между известняками, сложенными преимущественно кальцитом, и доломитами, состоящими в основном из доломита, существует ряд смешанных карбонатных пород. Границы между различными разновидностями этого ряда не общепризнаны. Согласно предложению С. С. Виноградова, границей между известняками и слабодоломитизированными известняками следует считать породу, содержащую 1,2% МgО, а если в ней MgO от 4 до 10%, то ее относят к доломитовым известнякам, в многодоломитовом известняке MgO 10—17%, в сильномергелистом доломите 19,67—21,42%, в чистом доломите 21,86—21,42%.

известняк

Существует ряд переходных разностей между карбонатными породами различной магнезиальности и глинами (магнезиальные мергели, мергелистые доломитовые известняки и др.).

Состав карбонатных пород играет большую роль в их оценке. Для большинства отраслей промышленности наиболее благоприятен однородный состав. Неоднородность состава вызывает непостоянство физико-механических свойств. Прослои, особенно тонкие, глинистых и песчано-глинистых пород, карстовые полости, заполненные обломочным материалом, наличие желваков кремня и другие неоднородности осложняют технологический процесс переработки сырья.

В качестве отрицательного явления следует отметить присутствие выделений сульфидов (пирита, марказита и др.), зерен полевых шпатов, слюд, глауконита, а в большинстве случаев и фосфата. Для некоторых отраслей промышленности (стекольной, производство белого цемента и др.) повышенное содержание железа считается вредным, В промышленности карбонатные породы используются благодаря особенностям их состава и ряду свойств. К этим свойствам относятся механическая прочность, белизна, способность образовывать при помоле определенной формы частицы, декоративность, диэлектрические особенности, объемная масса, твердость (небольшая твердость обусловливает способность к распиловке и невысокую абразивность, но повышенную истираемость), пористость, огнеупорность и др.

Карбонатные породы в процессе использования подвергают механической обработке (дроблению, измельчению, распиловке и пр.), более глубокой термической, химической и др. Прочность карбонатных пород на сжатие в воздушно-сухом состоянии колеблется от 30—80 МПа у известняков-ракушечников, до 40—140 МПа и реже более 200 МПа. Только дроблению подвергают карбонатные породы при использовании их в качестве рваного камня — щебня и бута. При этом в оценке качества сырья большое значение имеют механические свойства, определяемые прочностью в водонасыщенном или сухом состоянии, морозостойкостью, сопротивлением удару и др., а также водопоглощением, дробимостыо, коэффициентом размягчения, износом в полочном барабане и др.

Например, камень, используемый в качестве щебня для бетона гидротехнических сооружений, должен иметь прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии не менее 50 МПа; дробимость в цилиндре в сухом состоянии, определяемую по потере массы через определенное время дробления, не более 10% для сооружений зоны переменного уровня воды и 14% для подводных и надводных частей сооружений; морозостойкость, определяемую числом циклов попеременного замораживания и оттаивания (в водонасыщенном состоянии), — не менее 100; объемную массу не менее 2,4—2,3 г/см3.

Карбонатные породы

Для щебня, используемого в дорожном бетоне, прочность на сжатие в водонасыщенном состоянии для верхнего слоя покрытий дорог дожна быть не менее 80 МПа, а для нижнего — не менее 60 МПа. В целом же для бутового камня в зависимости от характера использования минимальная прочность на сжатие может колебаться от 10 до 80 МПа. Распиловке подвергаются карбонатные породы для получения штучного камня — это облицовочные блоки, стеновые камни, бортовые камни, брусчатка и т. д.

Кроме ряда физических (или, как их называют, физико-механических) свойств при оценке сырья для изделий этого типа учитывают выход продукции из горной массы, в ряде случаев его декоративность, а также возможности утилизации отходов, получаемых при добыче и переработке. Декоративность имеет большое значение при использовании камня для облицовки, а также для изготовления художественных изделий. Для скульптурного мрамора существенное значение имеют не только характер окраски и структура породы, но и просвечиваемость (глубина просвечиваемости, определяемая толщиной пластины, способной к просвечиванию). Для камня, применяемого дли изготовления плит для полов, большое значение имеет истираемость.

Часть карбонатных пород используется в виде так называемой: крошки, диаметр частиц 0—40 мм. Например, мраморная крошка для изготовления мозаичных и декоративных строительных деталей подразделяется на три класса: 0—5; 5—10 и 10—20 мм; прочность на сжатие — не менее 50 МПа в воздушно-сухом состоянии. Мраморная крошка для изготовления декоративных штукатурок, мозаичных бетонов и растворов подразделяется на четыре класса 0,63—5; 5—10; 10—20 и 10—40 мм; минимальная прочность на сжатие 30 МПа в водонасыщенном состоянии. Крошка карбонатных пород используется и для изготовления асфальта бетонных и битумоминеральных смесей и других изделий.

В естественном молотом виде карбонатные породы применяются в сельском хозяйстве (для известкования почв, как минеральная подкормка и др.), в кабельной промышленности, для которой важна изометричность частиц и их диэлектрические свойства, в лакокрасочной промышленности, в медицине, при производстве резины, линолеума, бумаги и т. д.

Большое значение имеют карбонатные породы для производства вяжущих веществ, в том числе строительной извести и особенно цементов. Для получения строительной извести применяют известняки и доломитовые известняки; для гидравлической извести — глинистые известняки, содержащие 8—20% глинистого компонента. При обжиге известняка получается жженая известь СаО, которая при затворении с водой дает гашеную известь (пушонку). Гашеная известь при смешивании с водой дает известковое тесто, а при добавлении воды и песка — строительный раствор.

Гашеная известь

Если в известняке количество глинистых веществ до 3—5%, то из такого известняка получают жирную известь, если больше — тощую известь (серую). Наличие MgO замедляет гашение. По составу к гидравлической извести (способной затвердевать в воде) близок роман-цемент. Сырье или сырьевая смесь для производства роман-цемента должны иметь гидравлический модуль (отношение CaO + MgO к сумме SiO2 + Аl2О3 + Fe2О3) от 1,3 до 1,7, в то время как у гидравлической извести оно составляет от 1,7 до 9). Роман-цемент относится к относительно низкокачественным вяжущим веществам, и его производство резко сокращено. Более ценный продукт — портландцемент, но при производстве его к сырью предъявляют ряд требований.

Исходная, подлежащая обжигу минеральная смесь (шихта) должна иметь определенный состав. Обычно шихту составляют из известняка и глинистых пород — глин, суглинков, аргиллитов, лёссов и др. Иногда глинистая часть заменяется доменным шлаком, остающимся после выплавки чугуна, сланцевым коксом, золой горючих сланцев, белитовым (нефелиновым) шламом, получаемым при извлечении из нефелина глинозема, и др., например, применяются порфироиды, можно использовать вместо глин базальты. В некоторых случаях применяются природные смеси, отвечающие составу шихты — мергели-натуралы.

Один из основных показателей нормального состава шихты — коэффициент насыщения. Этот коэффициент колеблется в пределах 0,82—0,95. Необходимо выдерживать кремнеземный (п) и глиноземный (р) модули.

Предел колебания п 1,2—3,5, р 1—2,5. Если основные компоненты шихты не обеспечивают кремнеземный модуль из-за низкого содержания SiO2, то в шихту вводят кварцевый песок, маршаллит, опоки, трепелы и другие кремнистые продукты; если низка железистость шихты, то добавляют богатые железом продукты: пиритные огарки, колошниковую пыль, железные руды. При низком содержании А1203 вводят бокситы и другие высокоалюминиевые продукты. Кроме того, состав шихты контролируется составом исходных пород.

В продукте обжига шихты — клинкере — содержание MgO должно быть не выше 4,6%, редко до 6%, ТiO2 не выше 0,3%, редко до 4— 5%. В процессе обжига шихты образуются трехкальциевый силикат (аллит, двухкальциевый силикат (белит), трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит, содержание (в %) которых соответственно 42—65; 15—50; 2—15 и 10—25.

В клинкере может остаться некоторое количество СаО, поэтому ее следует связать, добавляя в клинкер продукты, способные взаимодействовать с СаО. Такие добавки называют активными или гидравлическими. К гидравлическим добавкам относятся горные породы разного генезиса: осадочного — диатомиты, трепелы, опоки и спонголиты; пирометаморфического — глиежи; вулканогенного и вулканогенно-осадочного — пеплы, пемзы, туфы, туфолавы; некоторые цеолитовые породы; витролипариты и др.; выветрелые основные породы — диабазы, базальты. Кроме того, к ним относятся некоторые техногенные продукты — доменные шлаки, белитовый шлам, топливные золы, отходы керамики (битые и бракованные кирпич и черепица и др.).

Кроме гидравлических добавок в клинкер добавляют гипс, регулирующий время схватывания бетона. Цемент получается в результате помола клинкера с вышеназванными добавками. После затворения цемента водой и добавок заполнителей получают бетон. В качестве заполнителей тяжелых бетонов используют гравий, песок, щебень; для легких бетонов — различные горные породы и продукты их переработки. В естественном виде легкими заполнителями являются осадочные породы — известняки-ракушечники и вулканогенные породы — вулканические шлаки, пемзы и пумидиты (пеплы).

Клинкер цементный

При термической обработке из осадочных пород — глин, глинистых илов и суглинков — получают керамзит, аглопорит и другие, легкие заполнители; из диатомитов и трепелов — гермолит; из вермикулита, формирующегося в процессе выветривания — вспученный вермикулит; из вулканогенного перлитового сырья (водосодержащих стекловатых пород) — вспученный перлит. Легкими заполнителями могут служить и некоторые техногенные продукты (металлургические шлаки, фосфозит и т. д.).

Существует ряд специальных видов цемента — цветные, беложгущиеся, тампонажные и др. Тампонажные цементы, используемые при бурении, получают из шихты, состоящей из известняков и бокситов. Расширяющиеся цементы приготовляют на основе глиноземистого цемента и гипсо-известкового сплава, а высококремнеземистые— на основе перлита.

Алюмофосфатные цементы характеризуются высокой жаростойкостью. Можно получить цемент, используя красные шламы (отходы алюминиевой промышленности), феррохромовые шлаки (отходы ферросплавного производства). Имеются сульфотодержащие цементы, для получения которых используют отходы туковой промышленности (фосфогипс), и ряд других разновидностей цементов.

В химической промышленности кальциевые карбонатные породы применяются в производстве кальцинированной соды, кормового преципитата, суперфосфата, карбида кальция, едких калия и натрия, хлорной извести и др. Главное требование — высокая чистота сырья.

Известняк входит в состав стекольной шихты; основная вредная примесь здесь — хромофоры, в том числе железо, марганец и др.

Большое количество карбонатных пород используется в металлургии. Доломиты применяют как огнеупоры (в том числе смодо-доломитовые), а также для извлечения магния. Кальциевые карбонатные породы широко используются в качестве флюса (в том числе при производстве чугуна и стали, глинозема, олова, свинца, никеля, меди и т. д.); при этом имеют значение не только химический состав карбонатных пород, по и их механические свойства (прочность, кусковатость), а также в производстве силикатного кирпича (как основной компонент), строительной керамики, меловых промывочных жидкостей для бурения скважин, химически осажденного мела и др.

Доломиты применяют в производстве стекла, минеральной ваты, глазури, стекольного волокна, совелита, электросталеплавпльном производстве, производстве сульфитной целлюлозы, магнезиальной извести, при известковании кислых почв и т. д.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *