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

пород для получения пробы необходимой массы проходят кусты скважин.

Технологические испытания цементного сырья производятся специализированными институтами в полузаводском масштабе. Масса пробы для испытаний составляет для карбонатных пород 1,2—1,5 т и глинистых пород 0,4—1,2 т, в зависимости от содержа­ ния в них СаС03.

В том случае если на месторождении имеются несколько типов ‘ пород, пробы приходится отбирать от каждого из них. Указания о порядке отбора проб и объеме геологических материалов, кото­ рые необходимо представить в институт, проводящий испытание, приведены в технических условиях на отбор технологических проб цементного сырья и активных минеральных добавок для сокращен­

ных исследований и полных полузаводских испытаний.

При отправке проб в институт необходимо также представлять подробные материалы, характеризующие геологическое строение месторождения.

При обработке результатов химических анализов следует опре­ делять средневзвешенное содержание компонентов по каждой выработке по слоям и по проектируемым эксплуатационным уступам. Наряду с этим по глинистым и мергельным 'породам реко­ мендуется производить по этим же интервалам определение величии силикатного и глиноземного модулей.

К активным минеральным добавкам к портландцементному клинкеру относятся осадочные (опоки, трепела) и эффузивные породы (пеплы, туфы, трассы), а также глиежи — глинистые песча­ ники, обожженные при подземных пожарах. Для этих целей при­ меняются также гранулированные доменные шлаки.

Согласно требованиям ГОСТ' 6269—63 активная минеральная

извести, поглощаемое из известкового раствора, в течение 30 суток в мг СаО на 1 г добавки должно быть не менее: для диатомитов, трепелов, опок— 150, для глиежей — 30, для пеплов, туфов, пемзы и витрофира — 50, для трасса — 60. Содержание SO3 в диатомитах, трепелах, опоках и глиежах и содержание AI2O3 в глиежах не дол­ жно превышать 3%.

При опробовании месторождений минеральных добавок в сек­ ционных пробах обычно определяют поглощение извести из извест­ кового раствора. При анализах объединенных проб по разреженной сети выработок определяется содержание SiC>2, А120з+ Т 102, Fe20 3, СаО, MgO и п. п. п., в глиежах, кроме того, содержание раствори­ мого глинозема. В небольшом количестве проб определяется содер­ жание SO3 и R2O. В объединенных пробах определяют активность по сроку конца схватывания и водостойкость теста, а также сульфатостойкость.

165

Технологические испытания добавок с клинкером ГОСТ 6269—63 не предусматриваются, и необходимость их проведения устанавли­ вается специализированными институтами. Масса таких проб со­ ставляет 50—60 кг. Количество проб определяется в зависимости от наличия на месторождении нескольких пород различных по ка­ честву.

К а р б о н а т н ы е п о р о д ы д л я п р о и з в о д с т в а и з в е с т и и а в т о к л а в н ы х в я ж у щ и х в е ще с т в . Существует два вида извести — воздушная и гидравлическая. В основу технологии про­ изводства известковых вяжущих положена реакция термического разложения карбоната кальция: CaC03—CaO-j-C02— 42,52 ккал, в результате чего образуется окись кальция. Обжиг известняка производится при температуре 1100—1300°. В строительстве извест­ ковые воздушные вяжущие вещества применяются в виде негаше­ ной молотой извести, которая идет для изготовления строительных деталей, конструкций и растворов для зимней кладки, а также в виде гидратяой извести-пушонки. Она является основой штука­ турных и кладочных растворов.

Гашение окиси кальция водой происходит по .следующей реак­

сроска из кристалликов гидроокиси кальция; б) кристаллизации Са (ОН) 2 из насыщенного водного раствора и последующей карбо­ низации углекислотой воздуха по реакции Са (0Г1) 2+ С0 2 = = СаС0 з+ Н 2 0 , происходящей только в присутствии воды; в) вза­ имодействия гидроокиси кальция с кремнеземистыми или алюмо­ силикатными добавками (автоклавные вяжущие).

Гидравлическая известь представляет собой продукт обжига глинисто-карбонатных пород в температурном интервале 1000— 1300°, т. е. до полного удаления углекислоты, но ниже температуры спекания, которая определяется появлением расплава.

Для гидравлической извести характерно совместное присутствие окиси кальция и так называемых клинкерных минералов кальция.

К вяжущим автоклавного твердения относится силикатный (бесцементный) бетон, на основе которого изготовляют армосиликатные изделия.

Силикатный бетон изготовляется из известняка, песка и других материалов. Для его получения применяется обычно смесь следую­ щего состава: 70—80% природного кварцевого песка, 8—15% моло­ того кварцевого песка и 6 —1 0 % молотой негашеной извести. Детали и изделия, изготовленные из плотного и ячеистого силикат­ ного бетона, после запаривания в автоклавах имеют большую механическую прочность (200—500 кгс/см2).

К силикатным изделиям относятся: силикатный кирпич, извест­ ково-силикатные стеновые камни и строительные детали, силикальцитные изделия, известково-песчаные ячеистые изделия, глино- песчано-известковые и глино-известковые изделия. Все они

166

изготавливаются на основе кварцевого песка п извести, а также глины и подвергаются пропариванию в автоклавах. Наибольшее распространение получило производство силикатного кирпича, ко­ торое состоит из следующих операций: просев песка, обжиг извест­ няка и размол извести-кипелки, .смешивание песка с кипелкой и гашение полученной смеси, прессование кирпича и запаривание

вавтоклавах.

Всырьевой смеси содержится 92—95% песка и 5—8 % извести.

Температура в автоклавах при запаривании составляет 174° при давлении пара до 8 ат. Цикл запаривания продолжается 10—14 ч. В зависимости от соотношения концентраций СаО и Si02 в жидкой фазе твердеющих смешанных вяжущих связывание гидроокиси

рации Si02); 2Са(OH)2 + SiOo+(« — 2)Н'>0 = 2Са0 • ЭЮг-лН20 (концентрация СаО выше концентрации Si02).

При наличии аморфного кремнезема процесс может протекать и при нормальной температуре. Но увеличение температуры значи­ тельно ускоряет этот процесс. Кристаллическая кремнекислота реагирует с гидроокисью кальция только в среде насыщенного водяного пара при температуре 174,5—183°.

Взаимодействие между Са(ОН) 2 и кремнекислотой выражается в растворении компонентов в жидкой фазе, химической реакции в растворе и выделении трудно растворимых продуктов реакций — гндросиликатов кальция.

Сырьем для производства известковых вяжущих являются карбонатные породы, главная составная часть которых карбонат кальция.

Карбонатные породы, содержащие глинистое вещество, исполь­ зуются для производства гидравлической извести. Требования к химическому составу карбонатных пород для производства воздушной и гидравлической извести определяются ГОСТ 5331—63,

Размеры кусков устанавливаются соглашением, но количество мелких не должно превышать 5%. Анализы и испытания карбонат-

167

ных пород производят в соответствии с методикой, указанной в том же ГОСТ. Для производства воздушной кальциевой извести пригодны породы, отвечающие требованиям классов А, Б и В.

Породы, относящиеся к классу Г, пригодны для производства магнезиальной извести и к классу Д — гидравлической. Специаль­ ных требований к карбонатным породам для производства авто­ клавных вяжущих не разработано и для этих целей используют строительную известь, отвечающую требованиям ГОСТ 9197—59. Мергелистые карбонатные породы при содержании глинистых веществ более 6 % применять для производства автоклавных вяжу­ щих не рекомендуется (Виноградов, 1971). Требования к кремне­ земистым породам, для изделий и бетонов автоклавного твердения приведены в табл. 8 8 .

Качество силикатного кирпича должно соответствовать требова­ ниям ГОСТ 379—53, согласно которому по механической прочности выделяются три марки: 75, 100 и 150, при водопоглощеиии кирпича не более б—18%, морозостойкости не ниже 15 циклов и объемной массе 1800—1850 кг/см3.

Методика геологоразведочных работ на карбонатные породы для производства вяжущих существенно не отличается от методики работ на эти породы для получения портландцемента, за исключе­ нием меньшей степени детальности изучения.

Технологические испытания карбонатных пород для производ­ ства извести и других вяжущих обычно производятся в лабора­

168

торном масштабе при количестве проб на одном месторождений’. 1—3, и их массе 15—50 кг. Испытание заключается в опытном обжиге и определении показателей извести в соответствии с ГОСТ 9167—59.

Технологические испытания в полузаводском объеме .про­ изводятся только в особых случаях, главным образом при разведкесырья для производства гидравлической извести и снликальцитных изделий.

Гипс — минерал, представляющий собой водный сульфат каль­

Ангидрит — безводный сульфат кальция. Формула его CaSCU (Са 41,2%; S0 3 58,8%). Твердость 3—3,5, благодаря чему ангидрит легко отличить от гипса. Ангидрит обычно бесцветен или окрашен в светло-серый, голубоватый или реже красноватый цвет. В водерастворяется труднее, чем гипс.

В настоящее время строительная промышленность использует почти исключительно гипс.

Важным в практическом отношении свойством гипса является: его способность терять при нагревании воду (полностью или частично, в зависимости от температуры нагрева) и образовывать вещества, которые при смешивании с водой получают пластиче­ скую массу, легко формуемую и постепенно затвердевающую с переходом опять в двухводный кристаллический гипс. Удаление воды из гипса начинается уже при температуре 66 °; при 107° двух­ водный гипс превращается в полуводный с бурным выделением: воды. При дальнейшем нагревании до 200° гипс постепенно пере­ ходит в безводный, который в смеси с водой также обладает способностью затвердевать (схватываться). В интервале 450—750°' образуется «мертвообожженный» гипс, не содержащий воды и прак­ тически не обладающий способностью схватываться, то есть обра­ зовывать с водой затвердевающую массу. При обжиге в темпера­ турном интервале 750—1000° образуется новая модификация гипса, названная эстрих-гипсом, содержащая некоторое количество сво­ бодной извести.

Гипс встречается как в обособленных кристаллах, так и в воде сплошных зернистых плотных масс (гипс-порода). Различают следующие разновидности гипса: 1) крупнокристаллический листо­ ватый; 2 ) тонковолокнистый с шелковистым отливом (селенит); 3) крупноили мелкозернистый; 4) землистый. Цвет гипса белый, отдельные кристаллы водяно-прозрачны и бесцветны; бывает окрашен также в серый, медово-желтый, красный, бурый и черный цвет (в зависимости от цвета захваченных при кристаллизации примесей). Гипс обладает заметной растворимостью в воде, кото­ рая увеличивается при повышении температуры до 37—38°, а затем быстро падает. Скопления гипса, образующие гипс-породу,, в большей или меньшей степени загрязнены примесями — глиной, доломитом, кальцитом. Эти вещества могут как образовывать про-

169

■слои и линзы различной мощности, так и находиться в виде мехалической примеси в самом гипсе.

Благодаря хорошей растворимости гипса в толщах этой породы получает развитие карст в виде как поверхностных воронок, так и внутренних каналов, иногда распространенных на значительные расстояния.

Большая часть добываемого гипса используется в промышлен­ ности для производства гипсовых вяжущих материалов, представ­ ляющих собой продукты, получаемые из природного гипса путем термической его обработки. Только сравнительно небольшая часть гипса (гипсового камня) применяется в естественном, природном виде главным образом в цементном производстве в качестве добавки в клинкер для регулирования сроков схватывания цемента.

Из всех гипсовых вяжущих материалов наибольшее применение имеет строительный пли штукатурный гипс (алебастр), состоящий в основном из полуводного гипса. Он производится путем обжига гипсового камня при температуре 107—120° с последующим или предварительным размолом его в тонкий порошок. Обжиг гипса производится; в печах напольных, камерных, кольцевых, шахтных, вращающихся печах, а также в варочных котлах и установках для обжига во взвешенном состоянии. При переходе в полуводный гипс теряет 15,7% первоначальной массы и, таким образом, из 1 т гипсо­ вого камня получается около 840 кг штукатурного гипса.

При нагревании гипсового камня в герметически закрытых аппаратах в атмосфере насыщенных водяных паров образуются крупные длинные игольчатые кристаллы полуводного гипса. Эта разновидность строительного гипса как вяжущее вещество обладает более высокой прочностью, чем гипс, обожженный в открытых ап­ паратах, и носит название высокопрочного гипса.

К гипсовому камню, идущему для производства штукатурного гипса, ГОСТ 4013—61 предъявляет следующие требования: мас­ совое содержание CaS0 4 -2 H20 в предварительно высушенном ве­ ществе должно быть не менее 90% для первого сорта, не менее 75% для второго и 46,5% для третьего.

Технические требования к гипсовым вяжущим веществам регла­ ментируют ГОСТ 125—57 на гипс строительный, ГОСТ 4746—49 на гипс медицинский, ТУ 31—57 на гипс высокопрочный, ТУ—44 на эстрих-гипс.

Изделия из высокопрочного гипса характеризуются временным сопротивлением сжатию в пределах 150—400 кгс/см2 (против 100— 150 кгс/см2 для обычного штукатурного гипса). Считается, что

.лучшим сырьем для производства высокопрочного гипса является гипсовый камень с содержанием 75—85% CaS04 -2H20.

Эстрих-гипс вырабатывается из гипса или ангидрита путем обжига при температуре 800—1000° с последующим помолом про­ дуктов обжига. Прочность изделий из эстрих-гипса после твердения в течение 28 дней достигает по временному сопротивлению сжатию

170

150—200 кгс/см2 и по временному сопротивлению растяжению 20—25 кгс/см2. Затвердевший эстрих-гипс обладает теплопровод­ ностью, хорошей звукопоглощаемостью и малой истираемостью. Он применяется для набивки полов, для кирпичной кладки, для изготовления искусственного мрамора. Для производства эстрихгипса желательно использовать гипсовый камень с минимальным содержанием примеси карбоната кальция, так как наличие такой примеси в условиях обжига при температуре, превышающей темпе­ ратуру диссоциации карбоната кальция, приводит к образованию в готовом продукте повышенного количества свободной извести, что может вызвать изменение объема и разрушение изделий и кон­ струкций на основе эстрих-гипса.

На основе гипсовых вяжущих материалов изготовляются разно­ образные гипсовые изделия, находящие широкое 'применение в строительстве. В числе их следует упомянуть перегородочные плиты 'и блоки, детали для заполнения межэтажных перекрытий, архитектурные изделия (карнизы), потолочные розетки. В послед­ нее время широкое распространение получила так называемая гипсовая штукатурка, получаемая из штукатурного гипса и картона.

Ангидрит для производства вяжущих материалов до настоящего времени находит лишь ограниченное применение; наряду с гипсом он используется для производства эстрих-гипса и ангидритового цемента

Разработка месторождений гипса производится как открытым, так и подземным способом, в зависимости от условий залегания. Мощность гипса, принимаемая как минимальная, для подземных разработок может сильно варьировать. В Донбассе, например, за минимальную промышленную мощность обычно принимают 2—5 м. На месторождениях Красноярского - края подземным способом разрабатываются пласты мощностью 0,7—0,8 м.

Крупные скопления гипса и ангидрита встречаются в толщах осадочных пород. Как хемогенные осадочные породы гипс и ангидрит образуются в соленосных озерных и морских бассейнах при выпаривании их в условиях сухого жаркого климата.

Крупные месторождения гипса возникают также в результате гидратации ангидрита в осадочных отложениях иод воздействием поверхностных вод в условиях пониженного внешнего давления. Этот процесс протекает лишь при сравнительно небольшой глубине залегания пород (до 100—150 м) и сопровождается значительным увеличением объема породы (до 30% и более), что является причи­

в условиях большого давления вышележащих пород, видимо, про­ исходит обратный процесс — переход гипса в ангидрит.

В зонах выветривания месторождений каменной и других солей, залегающих в ассоциации с гипсом, при условиях, благоприятных для выноса легко растворимых солей, возникают своеобразные

171

скопления гипса в виде остаточных продуктов — «гипсовые шляпы». В пустынных и полупустынных местностях с жарким и сухим климатом гипс часто отлагается в бессточных впадинах рельефа, накапливаясь по мере испарения стекающих во впадину минерали­ зованных поверхностных вод. Гипсовые скопления этого типа обычно рыхлые, загрязненные глинистыми и карбонатными примесями; в Средней Азии они называются ганчем, арзыком, гажен, в Закавказье — глнно-гнпсом или ганчем. Содержание гипса

в этих породах колеблется в очень широких пределах.

Известны также скопления гипса, образовавшиеся из известня­ ков под действием на них вод, богатых серной кислотой.

Во всех .имеющих промышленный интерес месторождениях гипс и ангидрит залегают в форме пластов или линзообразных тел. Разнообразие особенностей месторождений, которые имеют значе­ ние для выбора метода разведки, определяются главным образом

и составу. По указанным признакам месторождения гипса можно подразделить на следующие группы.

I г руппа . Мощные толщи, пласты или пачки пз нескольких пластов, выдерживающиеся по строению и составу полезного ископаемого на большой площади, существенно не осложненные тектоническими нарушениями, размывом и карстовыми явлениями.

мерностям, которые легко выявляются при разведке. Многие место­ рождения этой группы характеризуются крупными запасами и боль­ шинстве своем высокой чистотой гипса и ангидрита.

Например, такие месторождения, как Песковское, Волчинецкое, тортонского возраста в западных областях .Украины, Артемовское, Пшеничное Нырковское, Майорское, Иванградское пермского возраста Донбасса, Звозское Архангельской области, Усть-Камское Татарской АССР и Селеукское, Пугачевское западного склона Урала, Шедокское месторождение верхнеюрского возраста в Краснодарском крае й Заларинское месторождение среднекембрий­ ского возраста в Иркутской области.

II г р у п п а . Относительно небольшой мощности пласты или пачки из нескольких пластов, не выдержанные по мощности и со­ ставу полезного ископаемого или осложненные тектоническими нарушениями и карстом. Примером является месторождение Оросительное девонского возраста в Хакассии.

Мощные пластообразные залежи сложного строения, а также тектонически. нарушенные, размытые или сильно закарстованные. Это Олекминское месторождение кембрийского возраста в Якут­ ской АССР, на котором закарстованность гипсовой толщи состав­ ляет около 30% ее объема; Калача-Мазарское месторождение верхнемелового возраста в Таджикской ССР, характеризующееся неоднородностью состава полезной толщи, частыми взаимопере­

172

Сипайловское в Башкирской АССР, которое отличается крайней пестротой и невыдержанностью литологического состава полезной толщи; Баскунчакское месторождение в Астраханской области, приуроченное к солянокупольной структуре, и тектонически нару­ шенное Багарякское месторождение карбонового возраста в Челябинской области.

111 г р у п я а. Мелкие линзовндные залежи и выклинивающиес пласты, не выдержанные по составу полезного ископаемого, а также месторождения, сильно закарстованные или размытые. Месторождения этой группы мелкие и большей частью имеют мест­ ное значение. К данной группе могут быть отнесены месторожде­

гипса лннзовндной формы, обычно небольшой мощности, представ­ ляющие осадки современных озер и бессточных впадин, а также мелкоконкреционные месторождения. Такого типа месторождения

а также в Рубцовском районе Алтайского края. Качество гипса обычно невысокое.

При проведении геологоразведочных работ все выработки, встретившие гипс промышленной мощности, должны быть опробо­ ваны. Опробование производится послойное, а при большой мощно­ сти макроскопически однородных пластов — секционное. Длина секций не должна превышать 1—3 м. Смежные пробы, показавшие

' Прослои пустых пород и ангидрита, которые при эксплуатации могут быть удалены, должны исключаться из проб; мощность таких прослоев должна быть заранее оговорена в кондициях.

В шурфах и других горных выработках пробы для химических анализов следует отбирать методом борозды, а по керну скважин колонкового бурения — путем раскола столбика керна по верти­ кальной оси на две равные половины, из которых одна идет на дробление в пробу, а вторая остается в качестве образца.

Для оценки качества сырья для производства штукатурного гипса необходимы лабораторные технологические испытания в со­ ответствии с требованиями ГОСТ 125—57. Пробы для этих испыта­ ний отбираются от каждой разновидности гипса, .которую можно практически получать при добыче. Масса проб должна быть согласо­ вана с лабораторией, производящей испытания (обычно 15—20 кг). Пробы, предназначенные для технологических испытаний, не сле­ дует подвергать мелкому дроблению.

173

Вопрос о необходимости производства полузаводских испытаний решается специализированной организацией, производящей лабора­ торные технологические исследования. В том случае, если из гипса предполагается изготовлять сухую штукатурку, полузаводские испытания обязательны, из-за отсутствия достаточно четких техни­ ческих' требований к гипсу для такого рода изделий. Масса пробы

пробы по 16—20 т). Проба для полузаводских испытаний, отбирае­ мая из карьера пли шурфа, должна характеризовать полезную толщу по возможности на всю ее мощность.

Как правило, секционные или послойные пробы гипса или ан­ гидрита подвергаются химическим анализам с определением содержания CaO, SO3, гидратной воды и нерастворимого остатка; в объединенных пробах, кроме указанных компонентов, определя­ ется содержание S i02, AI0O3, MgO и Fe203. Методика анализов определена ОСТ 4293 НКТП СССР.

В гипсовом камне, а особенно в месторождениях глино-гипса и гипсовых мергелей, присутствуют глинистые примеси. Для оценки качества гипса важно знать их минералогический состав.

Если они представлены неразбухающими минералами (каолини­ том, гидрослюдами),'то их присутствие на качество обожженного гипса влияет положительно, повышая пластичность раствора и уве­ личивая сроки схватывания и водостойкость изделий (при некото­ ром снижении их прочности). Но присутствие даже небольших количеств разбухающих минералов из группы монтмориллонита делает глнно-гипс и гипсовый мергель непригодными для обжига.

Объемная масса гипса определяется обычным путем, предпочти­ тельно методом выемки небольших целиков, порядка 0,5—1,0 м3. На разрабатываемых месторождениях определение объемной массы в целиках целесообразно производить в эксплуатационных горных выработках.

СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПЕСОК И ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Песок и гравий представляют собой рыхлые осадочные породы, сложенные окатанными обломками различных горных пород и минералов.

Общепринятой классификации песчано-гравийных пород по

• крупности зерна не существует. Согласно ГОСТ '8268—62 к гравию следует относить зерна размером от 5 до 70 мм с выделением среди них следующих фракций (в мм): от 5 до 10; от 10 до 20; от 20 до 40; от 40 до 70. Валунами называют окатанные обломки горных пород и минералов размером более 70 мм. По ГОСТ 8736—62 зерна размером от 0,14 до 5 мм относятся к песку. А. Б. Рухин (1953) разработал классификацию обломочных пород по крупности зерен, которая приводится в табл. 89.

174