книги из ГПНТБ / Григорович, М. Б. Минеральное сырье для промышленности строительных материалов и его оценка при геологоразведочных работах

Коэффициент насыщения представляет собой отношение коли­ чества окиси кальция, остающегося после полного насыщения гли­ нозема, окиси железа и серного ангидрида, к количеству этой окиси, теоретически необходимому для полного связывания крем­ незема до C3S (трехкальциевого силиката). В обычных портландцементах КН принимается равным 0,8—0,95.

2. Силикатный модуль (п), определяющий соотношение между минералами силикатными (алитом и белитом) и минералами плав­ нями (алюминатом и алюмоферритом кальция).Для нормального портландцемента значение силикатного модуля должно уклады­ ваться в следующих пределах:

Повышение значения силикатного модуля вызывает увеличение температуры обжига и расхода тепла, так как уменьшает количе­ ство' жидкой фазы. При пониженном значении модуля повышается легкоплавкость смеси и на футеровке образуются кольца и навары.

3. Глиноземный модуль (р), определяющий соотношение между минералами плавнями: трехкальциевым алюминатом и четырехкальцпевым алюмоферритом. Значение этого модуля принимается в пределах

Ж а Н З Д Г =0Т 1 до 2’5-

При повышенном значении этого модуля получается быстротвердеющий цемент.

В химическом составе сырьевых материалов помимо основных компонентов присутствуют и примеси. К полезным примесям сле­ дует отнести MgO в количестве до 1,5% от массы клинкера, P2Os (до 0,5 %), S O 3 (до 1,5%), ТЮ2 (до 1 %), МпО (до 2 %), F (до 0,4 %).

Эти примеси обусловливают легирование минералов клинкера, или производят минерализующее действие на процесс клинкерообразовання (Виноградов, 1971). Увеличение содержания этих примесей ухудшает качество клинкера, особенно нежелательно повышение содержания MgO (более 3—4% от массы клинкера), Na20 и К20.

В клинкере значительная часть окиси магния остается свобод­ ной в виде периклаза, который вступая в реакцию с водой, обра­ зует Mg (ОН)2, при значительном увеличении объема, что приво­ дит к возникновению в бетоне вредных напряжений.

Щелочи затрудняют процессы формирования клинкера, в осо­ бенности трехкальциевого силиката. В том случае, если заполни­ тели бетона содержат реакционно свободный кремнезем, щелочи цемента вступают с ними во взаимодействие с образованием геле­ вых соединений, гидратизирующихся и вызывающих в бетоне раз­ рушения.

155

Сырьем для производства портландцемента являются карбо­ натные (известняк, мел) и глинистые породы. Широко применяется также природная смесь этих веществ — мергель. Между этими по­ родами существует ряд взаимопереходов (табл. 79).

высоким, а при содержании ниже 77—76% — низким.

Мергель, не требующий для производства портландцемента корректировки своего химического состава другими материалами, называется натуральным.

Цементные заводы Советского Союза используют различные карбонатные и глинистые породы. Данные о химическом составе

156

Л ё с с о в и д н ы е с у г л и н к и

Сас-Тюбииский . . 13,08 52,07 12,35 4,50 12,20 2,76 0,53 3,09 Беговатский . . 14,32 50,58 10,64 3,72 14,86 2,85 0,51 3,52 Апгренскпй . . . 13,32 51,50 12,25 5,19 13,73 2,13 0,53 2,95 Дюшамбипский 13,00 51,65 13,16 4,87 12,98 2,99 0,81 2,86

Кроме химического состава большое значение для оценки ка­ чества цементного сырья имеют его минералогический состав, фи­ зические свойства, а также наличие различных включений. Так,

157

в метаморфизованных (мраморизованных) известняках, особенно в приконтактовых зонах, образуются сложные алюмосиликаты, за­ трудняющие обжиг сырья. Кварц, присутствующий в известняке в виде крупных зерен, также осложняет обжиг сырья и размол клинкера.

Карбонатный компонент должен быть сложен тонкодисперсным кальцитом, включения трудно размалываемого крупнокристалличе­ ского кальцита нежелательны из-за их слабой реакционной спо­ собности при обжиге. Нежелательны также кремневые включения, которые встречаются в известняках, и особенно в мелу, и затруд­ няют помол.

Важное значение для оценки качества известняков имеет доло­ митизация. При наличии тонкопереслаивающихся известняков с до­ ломитами или пятнистой доломитизации месторождение прихо­ дится браковать. Отрицательным фактором является значительное развитие в известняках карста, заполненного глинистым и обло­ мочным материалом.

Глины, сложенные монтмориллонитом, могут оказаться непри­ годными для мокрого способа производства, так как получение текучего сырьевого шлама потребует высокого содержания воды, а также может вызвать загустение его в холодной части вращаю­ щейся печи.

Глинистый компонент должен быть так же, как и карбонатный, равномерным по структуре и ие содержать крупных зерен кварца или пород, вызывающих затруднения при помоле и обжиге. При­ менение таких глин требует предварительного удаления крупных зерен или их размола. Физические свойства мягких карбонатных пород-—мела, мелоподобного мергеля и других — должны опреде­ ляться при геологоразведочных работах, так как они существенно влияют на текучесть, пластичность и водопотребность шлама, транспортируемого к печам с помощью центробежных насосов.

Обычно такой шлам содержит 36—40% воды. При использова­ нии мергелей, обладающих высокой пластичностью, содержание воды приходится повышать до 50—52%, что снижает производи­ тельность печей.

Государственных стандартов на цементное сырье не сущест­ вует, и оценка его качества производится на основании установ­ ленных практикой технических требований (Рояк, 1962; Виногра­ дов, 1971; Нечаев, 1971). Согласно этим требованиям содержание СаО в натуральном мергеле должно быть не менее 40% и 42,5% — в других карбонатных породах при хороших показателях значений силикатного и глиноземного модулей.

Содержание SiOo, А120з и Fe20 3 в сочетании с их содержанием в глинистом компоненте должно обеспечивать благоприятные зна­ чения КН, силикатного и глиноземного модулей. Содержание MgO должно быть не более 3,2—3,5%. Но при содержании в глине MgO менее 1% оно может быть повышено. Для восточных районов со­ держание MgO допускается повышать до 3,6%. Содержание R20

158

1. Содержание Si02, А120з и Fe20 3 должно обеспечивать в соче­ тании с химическим составом карбонатного компонента благо­ приятные значения КН, силикатного и глиноземного модулей. В соответствии с этим значение силикатного модуля в глинах при­ нимается обычно равным 2,5—3,5 и глиноземного 1,5—2,5. Таким значением модулей соответствуют содержание в глинах Si02

50—65%, А120 з. 15—20% и Fe20 3 6—10% (Виноградов, 1971).

2. Количество MgO вместе с содержащимся в карбонатном компоненте должно быть в клинкере не более 4,5%.

3.Содержание K20 + Na20 не более 3%.

4.Содержание СаО не ограничивается, но оно должно быть выдержанным, так как иначе возникнут сложности при составлении сырьевой смеси.

5.Содержание S0 3 желательно не'более 1,0%.

В связи с тем что наличие крупных зерен пород и минералов

вглинах осложняет их применение, так как они слабо реагируют при обжиге с карбонатной частью смеси, к гранулометрическому составу глин 'предъявляются следующие требования: содержание грубых фракций, крупнее 0,2 мм—не более 1 0 %; крупнее 0,08 мм (включая частицы 0,2 мм)— не более 2 0 %.

Для улучшения значений силикатного и глиноземного модулей

всостав сырьевой смеси вводят корректирующие — кремнеземи­ стые, железистые и глиноземистые добавки. В качестве железистых добавок обычно применяют пиритные огарки, в качестве кремни­ стых — опоки и кварцевый песок и глиноземистых — бокситы и каолин.

Для оценки качественных показателей каждого из компонентов сырьевой смеси по значениям модулей необходимо учитывать химический состав каждого компонента, т. е. производить расчет состава смеси. Для этих целей удобна универсальная диаграмма, предложенная М. С. Пичугиным (1958).

Институтом Гипроцемент разработан проект технических усло­ вий на качество цементного сырья, которые рекомендуется при­ менять при первичной оценке качества сырья в процессе геологи­ ческой съемки поисков и предварительной разведки (Чуприкова, 1970). Окончательная оценка качества сырья производится институ­ тами цементной промышленности.

Согласно проекту оптимальный химический состав клинкера должен характеризоваться следующими показателями: КН 0,88 — 0,92; MgO — не более 5,0%; S 0 3 — не более 1,5%; щелочей — не более 1,2%; Р20 5 — не более 0,50%; ТЮ2 — не более 2%, кремне­ земный модуль (я)— 1,9—2,6; глиноземный модуль (р)— 0,9—1,6.

Гипроцементом разработана таблица, позволяющая производить оценку сырья по значениям кремнеземного и глиноземного модулей.

159

При пользовании таблицей карбонатный н глинистый компоненты должны рассматриваться совместно (табл. 83).

Т а б л и ц а 83

К сырью для производства белого и цветного цементов предъ­ являются специальные' требования, приведенные в табл. 84 и 85 (Виноградов, 1971).

Т а б л и ц а 84

Технические требования к карбонатным породам для белого и цветного цемента

Месторождения известняков, которые являются важнейшим сырьем для цементной промышленности, приурочены главным образом к морским образованиям. С. С. Виноградов (1970) выде-

160

ляет среди месторождений цементных известняков следующие генетические типы:

I. Экзогенные.

A. Морские осадочные:

1)геосинклииальные;

2)платформенных областей;

3)предгорных н межгорных прогибов. Б. Континентальные:

1)озерные;

2)месторождения, образовавшиеся в результате деятельности подземных вод;

3)мнфпльтрацнонные и метасоматические.

B.Вторичные:

1)экзогенные;

2)эндогенные (тектонические и магматические отторженцы).

II. Эндогенные:

1)гидротермальные;

2)гидротер.малыю-метасоматические;

3)контактовые.

III. Метаморфогениые:

1)регионально-метаморфические;

2)динамометрические.

Месторождения известняков развиты среди отложений всех геологических подразделений, "начиная с протерозоя и кончая чет­ вертичными. По данным Б. И. Виноградова (1971), наибольшее количество карбонатных пород для цементной промышленности добывается из отложений нижнего мела (33,7 млн. т), затем из отложений нижнего карбона (12,7 млн. т). Минимальное количе­ ство добычи дают отложения нижней перми (1,0 млн. т), бедные чистыми известняками.

Так как основное значение при оценке качества цементного сырья имеет химический состав, определение этого состава и явля-

ется главной задачей опробования, проводимого при геологораз­ ведочных работах.

Опробование производится по всем выработкам послойное, а при

По шурфам и канавам отбор проб производится бороздой раз­ мером 5X2 и 10x5 см. При опробовании по скважинам для пробы

ЕЕ\ z | ЦТ|з ленных литологических разностей. По

Рекомендуется проводить по тем же пробам титрование, чтобы решить вопрос о наличии расхождений в определении содержания СаСОз двумя методами. Это обусловлено тем, что определение титрованием дает правильные результаты только при небольшом со­ держании нерастворимого остатка (5—10%).

При более высоком содержании нерастворимого остатка рас­ хождения в результатах определения СаС03 двумя способами

162

будут значительными, так как при титровании окиси кальция и магния, связанные в алюмосиликатных соединениях, не устанавли­ ваются.

10 кг

■ 10 мм

&

Гпинистые народы сильно засоренные

'крупным обломочным материалом на

ситовой анализ

7мм

Фф------

ВотВал(карбонат-

*н ш Минеральные ' М М Г 'Т ' П°Р° дь1 5мм добавки на оптовой анализ

Рис. 14. Схема обработки проб карбонатных и глинистых пород и активных минеральных добавок (по Г. А. Нечаеву).

1 — дробление; 2 — перемешивание и сокращение; 3 — контрольное просеивание

Большое значение при разведке карбонатных' пород, особенно мергелей, имеет изучение нерастворимого остатка, который получа­ ется путем обработки породы слабой соляной кислотой. Целью изучения является определение минералов, образующих остаток,

н их размеров. При одинаковом химическом составе минеральный состав нерастворимого остатка может быть различным, что будет влиять на характер реакции, протекающих при обжиге. После того как будут получены исчерпывающие химико-минералогические ха­ рактеристики выделенных литологических типов карбонатных пород, в стадию детальной разведки изучение химического состава карбонатных пород может производиться главным образом титро­

и в небольшом количестве проб R20 .

При опробовании глинистых пород производится определение не только химического, но также и гранулометрического состава. В связи с этим обработка проб должна производиться с осторож­ ностью, чтобы не раздробить крупные включения. В секционных пробах глинистых пород определяется гранулометрический состав анализом на ситах с размером -ячеек 10; 7; 5; 3; 2,4; 0,5; 0,2 и 0,08 мм. В объединенных пробах глинистых пород определяются содержания Ti02, А120 3, CaO, MgO, Fe20 3.

Наряду с химическим составом в цементном сырье необходимо

влажность (мела, мергеля и известняка); б) временное сопротивле­

водопоглощение, текучесть, водоотдача*; д) объемная масса п плотность в куске и целике; е) желательно данные о выходе фрак­

в) водопоглощение, текучесть, растекаемость, водоотдача*; г) гра­ нулометрический состав, коэффициент разрыхления; д) для глини­ стых сланцев — физико-механические свойства, определяемые при изучении твердых карбонатных пород.

Изучению подвергаются и п у с т ые п о р о д ы (вскрышные, боковые, прослои). Для скальных пород определяются: а) объем­ ная масса, б) сопротивление сжатию, в) влажность; для рыхлых пород: а) объемная масса; б) влажность, в) водопоглощаемость, г) текучесть; д) растекаемость*; е) водоотдача*; гранулометриче­ ский состав.

Для окончательной оценки качества цементного сырья необхо­ димо проведение технологических испытаний. Отбор проб для

* Эти определения выполняются специализированным институтом по до­ говору с геологоразведочной организацией.

164