67. Цементное сырье. Состав и химико-технологическая характеристика цементной шихты. Главнейшие геолого-промышленные типы месторождений.

Цемент - общее название порошкообразных вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют пластичную массу, приобретающую затем камневидное состояние. Если в эту пластичную массу добавляется песок, мелкоизмельченный шлак и т.п., то получается строительный раствор; если же заполнителями являются гравий, щебень, галька и другие, достаточно крупные частицы, то после затвердевания такой массы образуется бетон. Крупнейшим его производителем является Китай.

Важнейшим водным (т.е. затвердевающим с водой) вяжущим материалом является портландцемент. Для изготовления его в качестве основного исходного сырья используются карбонатные (известняки, мел, мергель) и глинистые (глины, глинистые сланцы, аргиллиты) породы, смешиваемые в строго определенном соотношении.

Качество цемента, определяемое в основном соотношением его главных клинкерных компонентов и наличием загрязняющих примесей, зависит от химического состава исходной смеси карбонатных и глинистых пород (шихта), а также вводимых в цементный клинкер гипса и других добавок.

Если в шихте резко преобладает оксид кальция СаО, то при гидратации цемента образуется минерал портландит Ca(OH)₂, легко вымывающийся из бетона, что понижает прочность последнего, разрушая его. При избытке в шихте кремнезема в гидратированной массе появляется инертный минерал геленит - 2CaO.Al₂O₃.SiO₂, также снижающий прочность изделия. При попадании в шихту оксида магния MgO (например, в виде примеси доломита) при обжиге может образоваться периклаз, гидратация которого продолжается многие годы; кроме того, переход MgO в Mg(OH)₂ сопровождается увеличением объема уже после отвердения цементной массы, что может привести к разрушению бетона, поэтому содержание MgO в шихте ограничено. Небольшое количество щелочей допустимо и даже полезно, поскольку снижается температура плавления клинкера, но при их заметных количествах образуются соединения, искажающие картину гидратации цемента и затвердение бетона.

Валовый состав шихты: CaO 60-67%; SiO₂ 21-24%; Al₂O₃ 4-7%; Fe₂O₃ до 2,5%.

Общими требованиями к качеству цементного сырья являются его однородность, выдержанность химического состава и отсутствие крупных включений других пород и минералов. При оценке месторождений этого сырья важно учитывать их близость и удобство транспортировки к заводу-потребителю, достаточность запасов для длительной (десятки лет) эксплуатации, возможность отработки открытым способом, экологические последствия разработки.

Карбонатные породы - это в первую очередь различные известняки, мергели и мраморы, а также травертины, жильные карбонатные породы, карбонатиты, карбонатные пески и др. Наибольшее значение для цементной промышленности имеют самые распространенные карбонатные породы, входящие в состав двух рядов: известняк СаСО₃ - доломит CaMg(CO₃)₂ и карбонатная порода - глина. Поскольку содержание MgO в цементной шихте ограничено, доломиты и даже доломитовые известняки мало пригодны в качестве цементного сырья, тогда как известняки, в том числе и доломитистые, являются наиболее распространенным карбонатным компонентом этого сырья. Карбонатно-глинистые образования, объединяющие в себе оба главных компонента цементной шихты, представляются самым благоприятным сырьем для цементной промышленности. Особого внимания заслуживают мергели, химический состав которых может полностью соответствовать требуемой цементной шихте (мергели-натуралы).

Геолого-промышленные типы:

1. Субгоризонтальные пласты, линзы и горизонты мела, мергелей, известняков и доломитов большого площадного распространения мощностью в метры - десятки метров в разрезах платформенных карбонатно-терригенных толщ пород различного возраста (Вольское Русской платформы, Сибирской и др.).

2. Круто- и пологопадающие пласты, линзы и пачки ритмичного чередования мергелей, известняков и карбонатных глин мощностью в десятки метров в разрезах складчатых карбонатно-терригенных флишевых толщ большой мощности (Новороссийские месторождения);

3. Слабо наклонные, быстро выклинивающиеся пластовые, линзовидные и сложной формы залежи доломитов и органогенных известняков с мелом и мергелями неравномерной мощности в составе карбонатных рифогенных, соленосных, терригенных и угленосных толщ краевых и межгорных прогибов и внутренних впадин (Еленовское в Донбассе, Огайо, Индиана и Иллинойс в США).

Глинистые породы - тонкодисперсные горные породы с преобладающим пелитовым (до 1 мкм) размером частиц, сложенные преимущественно различными глинистыми минералами с подчиненным количеством обломков горных пород, кварца, полевых шпатов, амфиболов, пироксенов, слюд и др. Большинство глин являются пластичными, то есть способными образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную ему форму и становящееся камнеподобным после обжига. Однако существуют и неразмокающие, сухарные глины, а также аргиллиты и глинистые сланцы.

Помимо химического состава (основного показателя при решении вопроса о пригодности глин в качестве цементного сырья) к числу главнейших свойств, определяющих промышленную ценность глин, относятся их пластичность, связность, вспучиваемость, набухаемость, воздушная усадка, огневая усадка (при обжиге), огнеупорность, спекаемость, адсорбционная способность и гигроскопичность, способность к ионному обмену. Согласно стандартной промышленной классификации, принятой для глин в нашей стране, они подразделяются следующим образом:

- по химическому составу (содержание Al₂O₃, %): высокоосновные (более 40), основные (30-40), полукислые (15-20), кислые (до 15);

- по огнеупорности (t плавления): огнеупорные (более 1580), тугоплавкие (1350-1580), легкоплавкие (до 1350);

- по цвету черепка, полученного при обжиге: беложгущие, светложгущие и темножгущие.

В качестве глинистого сырья для цементной промышленности помимо наиболее выгодных глинисто-карбонатных пород - мергелей - наиболее существенны месторождения морских легкоплавких глин, глинистых илов, аргиллитов и глинистых сланцев. Все они представляют пластовые линзовидные залежи мощностью в м - десятки м и, как правило, имеют широкое площадное распространение (многочисленные четвертичные и более древние месторождения глин Московской, Ленинградской областей; месторождения глинистых сланцев и аргиллитов Западной Сибири, Дальнего Востока, Грузии и Казахстана).

Кремнистые кристобалит-опаловые породы - диатомиты, трепелы и опоки, а также более редкие спонголиты, радиоляриты. Эти породы осадочного биохимического происхождения представляют собой в различной степени уплотненные кремнистые остатки диатомей, радиолярий и игл губок, сложенных опалом и халцедоном. Содержание в них кремнезема составляет 60-98%; остальное приходится на глинистые минералы. Промышленное значение этих пород обусловлено их высокой гидравлической активностью (измеряется количеством извести СаО, поглощенной из раствора 1 г породы), малой объемной массой, высокой пористостью, фильтрационными, сорбционными каталитическими, звуко- и теплоизоляционными, абразивными и другими свойствами. В нашей стране их подавляющая часть используется при производстве цемента в качестве гидравлических активных добавок, остальная часть используется главным образом в строительстве для производства теплоизоляционных изделий, а также легкого искусственного заполнителя бетона – термолита. Массовая доля SiO₂ в породе должна быть более 80%, CaO - менее 2%, Al₂O₃ - до 8%. Гидравлическая активность, как количество поглощенной СаО за 30 суток, должна быть не ниже 150 мг/г.

Геолого-промышленный тип: согласные, выдержанные по простиранию пластовые залежи широкого площадного распространения мощностью в метры-десятки метров среди терригенных и терригенно-карбонатных образований MZ-KZ возраста. Такие месторождения, в частности, развиты среди палеоценовых образований Поволжья (Инзенское, Алексеевское), Центральных областей (Зикеевское и др.), а также среди эоценовых толщ Зауралья (Камышловское, Ирбитское и др.).

Сульфатные породы - ангидрит CaSO₄ и гипс CaSO₄.2H₂O. Основная масса этих минералов входит в состав одноименных мономинеральных горных пород, содержащих также примеси карбонатов, галита, кварца, глинистых и других минералов.

Полуводный гипс - при смешивании с водой образует высокопрочное вяжущее вещество, быстро схватывающееся и твердеющее. Его широко используют для штукатурных и отделочных работ, изготовления всевозможных строительных конструкций, а также в качестве формовочного материала и медицинского гипса. Обжиг ангидрита и гипса приводит к образовани. небольшого количества (до 3%) свободной жженой извести СаО. Это так называемый кальцинированный или эстрих-гипс; он медленно соединяется с водой, превращаясь в вяжущую массу, широко используемую в строительстве для производства плиточных и бесшовных полов, лестничных ступеней, искусственного мрамора. В цементной промышленности при производстве портланд-цемента гипс добавляется (до 3%) в естественном виде для регулирования сроков схватывания бетона. Он используется также для получения гидравлического гипсошлакового цемента, представляющего тонко измельченную смесь высушенного гранулированного доменного шлака (80-85%), гипса и портланд-цементного клинкера; этот цемент весьма эффективен при подземном и подводном строительстве в агрессивных сульфатных средах.

Геолого-промышленный тип: линзовидные и пластовые залежи мощностью в метры-десятки метров и протяженностью от сотен метров до десятков км, залегающие в толщах карбонатных и терригенных пород, представленных известняками, доломитами, глинами и мергелями. Месторождения США, Канады, Франции, ФРГ, Великобритании и других стран. В России - Залаирское в Иркутской области (С), Новомосковское в Тульской области (D).