CC BY
29Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2012 5) 294-300
УДК 691
Теоретические аспекты процесса вспучивания вермикулита Татарского месторождения
Н.Г. Василовская, И.Г. Енджиевская, О.В. Слакова, Г.П. Баранова*
Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 13.08.2012, received in revised form 20.08.2012, accepted 27.08.2012
Приводятся исследования состава и структуры вермикулита Татарского месторождения с целью получения строительных материалов на его основе. Представлены результаты изучения химического и минералогического состава, данные комплексного термического анализа, которые позволяют судить о физико-химических изменениях, происходящих в концентрате вермикулита при нагревании и связанных с различными состояниями воды, характеризующими процесс его вспучивания.
Выявлены оптимальные температуры вспучивания КВТ. Предполагается, что в строении элементарной ячейки вермикулита Татарского месторождения имеет место переслаивание пакета вермикулитовых слоев с пакетом слюдяных слоев.
Ключевые слова: вспученный вермикулит Татарского месторождения (ВВТ), концентрат вермикулита Татарского месторождения (КВТ), пакет вермикулитовых слоев, пакет слюдяных слоев, химический состав концентрата.
Быстрый рост и развитие строительной индустрии в России вызывает растущий спрос на строительные материалы, в том числе и на теплоизоляционные, без которых не обходится ни одно современное строительное производство. Помимо хорошей теплоизоляционной способности они должны обладать еще рядом важнейших качеств, таких как экологичность, огнезащита, звукоотражение и звукопоглощение, простота обработки и др. Применяя вспученный вермикулит, можно добиться решения большинства указанных проблем.
В 2004 г. в группе подготавливаемых к освоению месторождений вермикулита было учтено Татарское месторождение в Красноярском крае, на долю которого приходится 3-4 % запасов вермикулита в России. Его активная промышленная разработка осуществляется с 2009 г. В Березовском районе (пгт. Березовка, г. Красноярск), то есть в непосредственной близости от краевого центра, организовано производство вспученного вермикулита Татарского месторождения с производительностью более 16 000 м3 ВВТ/год.
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
В минералогии вермикулитом считают слюду с крайней степенью гидратации, в кристаллической! решетке которой щелочи замещаются водой, являясь продуктом низкотемпературных гидротермальных процессов и последующего выветривания магнезиальноажелезистых слюд ряда Уиотит-флагопит. Существует непрерывный изо -морфный ряд биотит-фтагопит; условная граница отвечаат отношению Mg:Fe□2а. Бао -тит - К (М^, ^е)з[81зау-10ш] [Он, или К20-6(М^ Fe)•Al20з- 8102-2И20. Схематическое стро -ение биотита показано на рис. 1.
Процесс гидратации первичных слюд при переходе в вермикулит заключается в замене ионов калия молекулами воды, в слой которых втягиваются обменные ионы двухвалентных металлов (чаще всего Мg2+) [1]. Между пакетами образуется гидратный слой, состоящий из гидратированных ионов металлов и молекул воды в свободном состоянии (рис. 2).
Уокером получены доказательства того, что вещество в межслоевом пространстве вермикулита имеет упорядоченное строение [2]. Молекулы воды и катионы в межслоевом пространстве занимают определенное положение . Вермикулитизация у большинстве случаев не
(К+ )2
(Б1з 4+-Х13+) О102-(Мв2+, Ге2+, Ге3+)6(ОИ-)4
(Б1з4+ Х13+) О102- <2==|Сендятуй вакет
^Сеуй межвакеттах оееучей
(Б1э 4+'Х13+) Ою2-
(Мв2+ , Ге2+, Ге3+ )6(ОИ")4
(Б134+ Х13+) О102- <=1Сендятуй вакет
Рис. 1. Схематическое изображениеэлементарнойячейкибиотита
(81э 4+'Л13+) ОЮ2" (Mg2+ , Ге2+, Ге3+)(ОЫ")4 (Б1з4+ А13+) Ою2"
[Mg(6 Н2О)]2+ • т Н2О
(813 4+'А13+) Ою2" (Mg2+ , Ге2+, Ге3+)(ОЫ")4 < Слюдяной пакет
(81з4+ А13+) Ою2"
Слюдяной пакет
..Гидратный слой
Рис. 2. Схематическое изобрсжение элементарно!! ячейки вермикулита
доходит до конца, и образуются гидрослюды либо определенный тип расположения слоев вермикулита и гидратированных слюд.
Конституционной, цеолитной и кристаллизационной воды в вермикулитах содержится 8-20 %. В слюдах содержание воды не более 2 % [3].
Физико-химические исследования показали, что вермикулит Татарского месторождения относится к биотитовому ряду с достаточно высокой степенью вермикулитизации биотита. Химический состав концентрата вермикулита Татарского месторождения выражается содержанием и соотношением различных оксидов, важнейшими из которых являются: £Ю2-40,29-40,42; А1203-10,48-10,92; Fe2Oз+ Fe0-11,0-14,47; MgO-17,94-22,28; К20-3,99-4,08; СаО-1,29-1,35; №20-0,60-1,0; F - 0,91; Р205-0,633; МпО - 0,467; ТЮ2 - 0,466.
Концентрат Татарского месторождения отличается красно-коричневым оттенком, вызванным присутствием Т^ имеет коэффициент вспучивания 5-9 в зависимости от крупности. Основная фракция КВТ-1. Размер чешуек около 1-3 мм.
Данные комплексного термического анализа вермикулитов позволяют судить о физико-химических изменениях, происходящих в этих породах при нагревании и связанных с различными состояниями воды, характеризующих процесс вспучивания вермикулитов.
Проводился комплексный термический анализ вермикулита Татарского месторождения. Во избежание ошибки исследования проводились неоднократно. На кривых ДСК концентрата Татарского месторождения наблюдается интенсивный эндотермический эффект при 80-100 0С, связанный с потерей адсорбционной воды (рис. 3). Два неглубоких эндоэффекта при 200 0С и 255 0С очевидно обусловлены выделением воды, связанной с обменными ионами (межпакетной), которая содержится между чешуйками слюды и прочно адсорбирована на плоскостях их спайности. При этом наблюдается потеря в массе образцов.
ДТГ
ТГ№, ДПЦшВЛг)
р 400 № ВЗЕ 1000 1200
ТыливтаэГС
Рис. 3. Зависимости ДТГ вермикулита Татарского месторождения
В вермикулите Татарского месторождения содержание адсорбционной воды - 4,31 %, а межпакетной - до 1 %.
Эндоэффект, связанный с выделением цеолитной воды, на приведенных кривых отсутствует. Цеолитная вода с эндоэффектом в интервале 400-700 0С находится в виде твердого раствора, причем вода является растворимым веществом, а кристаллы минерала, наоборот, растворителем.
На кривой ДТГ виден эффект в пределах 800-900 0С, обусловленный потерей кристаллизационной воды, входящей в точных стехиометрических количествах в молекулярную структуру минерала, на кривой ДСК он слабо выражен. Эффекты при 710-780 0С и 810-840 0С присущи всем слюдистым материалам, включая вермикулит, и связаны с удалением гидроксильных групп.
Между степенью гидратации и коэффициентом вспучивания вермикулита Татарского месторождения прямой зависимости не наблюдается, так как значительную роль играет тип расположения слоев вермикулита и гидратированных слюд. Очевидно, что имеет место переслаивание пакета вермикулитовых слоев с пакетом слюдяных слоев, что подтверждается достаточно высоким содержанием калия в химическом составе вермикулита Татарского месторождения и нескачкообразной потерей массы, связанной с удалением межпакетной воды. Поэтому КВТ вспучивается в виде веерообразно раздвинутых пластинок. Максимальные температуры вспучивания этого типа расположения слоев - около 800 0С.
Для оценки вещественного состава вермикулита Татарского месторождения была подготовлена усредненная проба концентрата КВТ-1 в количестве 2,5 кг, которая исследовалась в лаборатории Геологического управления Красноярского края. Результаты гранулометрического и количественного минералогического анализа представлены в табл. 1 и 2.
Таким образом, концентрат вермикулита Татарского месторождения большей частью образуется крупнопластинчатыми, листоватыми, тонкочешуйчатыми зернами вермикулита, а также не обладающими слоистой кристаллической решеткой зернами магнетита и амфиболов, представленных в основном актинолитом, арфведсонитом, рибекитом.
Щелочные амфиболы - группа породообразующих минералов подкласса цепочечных (ленточных) силикатов с общей формулой (A,B)7-8[Z40ll]2(0H,F)2, где А-К, №, Са; В-А1, Fe3+, Fe2+, Mg и др.; А1. Основа структуры - так называемая амфиболовая лента ^40п]. В дан-
Таблица 1. Гранулометрический состав пробы вермикулита: общий вес пробы 2,5 кг, навеска для анализа 500 г
Размер частиц Вес фракции, г Выход фракции, %
>1,0 4 0,8
-1,0+0,5 152,25 30,4
-0,5+0,25 316,75 63,35
-0,25+0,1 23,4 4,68
<0,1 3,6 0,77
Общий вес 500 100
Таблица 2. Количественный минералогический анализ пробы
Класс крупности (мм) Фракция (г/см3) Масса фракции тф, г Минерал Плотность минерала, d, г/см Количество зерен в подсчете, п (!*п Содержание минерала во фракции, Сф, масс %
1 2 3 4 5 6 7 8
<0,1 <2,9 3,6 Вермикулит 2,3 513 1179,9 80
Кварц 2,6 4 10,4 0
Магнетит 5 7 35 2
Лимонит 3,6 18 64,8 4
Апатит 3,1 7 21,7 1
Щел. амфибол 3,4 48 163,2 11
Актинолит 3,2 4 12,8 1
Альмандин 4,3 едз* 0
Рутил едз* 0
Циркон едз* 0
Итого 601 1487,8 100
-0,25+0,1 <2,9 4,42 Вермикулит 2,3 400 920 69
Щел. амфибол 3,4 93 316,2 24
Лимонит 3,6 7 25,2 2
Актинолит 3,2 12 38,4 3
Сростки вермикулита 2,7 16 43,2 3
Итого 528 1343,0 100
-0,25+0,1 >2,9 0,05 Магнетит 5 236 1180,0 76
Магнитн Щел. амфибол 3,4 70 238,0 16
Актинолит 3,2 30 96,0 6
Лимонит 3,6 4 14,4 1
Апатит 3,1 4 12,4 1
Итого 344 1540,8 100
-0,25+0,1 >2,9 0,53 Щел. амфибол 3,4 400 1360,0 79
Немагнит Апатит 3,6 64 230,4 13
Актинолит 3,1 34 124,0 7
Лимонит 3,6 5 18,0 1
Итого 503 1732,4 100
-0,5+0,25 <2,9 4,79 Вермикулит 2,3 493 1133,9 98
Щел. амфибол 3,4 5 17 1
Актинолит 3,2 2 6,4 1
Итого 500 1157,3 100
-0,5+0,25 >2,9 0Д1 Магнетит 5 38 190 14
1 2 3 4 5 6 7 8
Щел. амфибол 3,4 235 799 59
Лимонит 3,6 4 14,4 1
Апатит 3,1 93 288,3 21
Актинолит 3,2 8 25,6 2
Альмандин 4,3 1 4,3 0
Сростки
вермикулита и щел. 2,3 12 27,6 2
амфибола
Итого 379 1321,6 100
-1+0,5 <2,9 4,98 Вермикулит 2,3 500 1150 99
Щел. амфибол 3,4 4 13,6 1
Итого 504 1163,6 100
-1+0,5 >2,9 0,02 Магнетит 5 5 25 2
Щел. амфибол 3.4 181 615,4 59
Вермикулит 2,3 4 9,2 1
Лимонит 3,6 17 61,2 6
Апатит 3,1 90 279 27
Актинолит 3,2 12 38.4 4
Ильменит 4,6 2 9,2 1
Альмандин 4,3 2 8,6 1
Итого 313 1046 100
>1,0 <2,9 4 Вермикулит Глинисто- 2,3 513 1179 94
вермикулито-вые обломки с щелочным 2,9 25 72,5 6
амфиболом и
апатитом
Итого 538 1251,5 100
Примечание. едз* - минерал встречается в данной пробе, но не попал в статистическую выборку
ном вермикулите различаются длиннопризматические кристаллы с ромбовидным поперечным сечением, а также сильно вытянутые, лучисто-шестоватые агрегаты, игольчатые и волокнистые (асбесты).
Отличительной особенностью вермикулита Татарского месторождения является невысокое содержание межслоевой воды, но при этом этот фактор не оказывает решающего влияния на степень вспучивания при обжиге, что позволяет получать достаточно легкий вермикулит в мелкой фракции концентрата. Таким образом, реализация запасов небольших месторождений местного сырья, таких как Татарское, имеет важное значение для развития страны.
Список литература
[1] Спирина, В. С., Ахтямов Р. Я. Керамовермикулитовые изделия для футеровки тепловых агрегатов в промышленности строительных материалов // ВНИИЭСМ. Серия 4 «Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. Аналитический обзор. М., 1991. 56 с.
[2] Уокер, Г. Ф. Вермикулитовые минералы // Рентгеновские методы изучения структуры глинистых минералов. М.: Мир, 1965. С. 345-374.
[3] Горяйнов, К. Э., Коровникова В. В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. М.: Высшая школа, 1975. 296 с.
Theortical Aspects
of Deposit Swelling Vermiculite Tatar
Nina G. Vasilovskaya and Irina G. Endzhievskaya, Oksana V. Slakova and Galina P. Baranova
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Researches of the composition and the structure of the vermiculite of Tatar deposit were conductedfor getting constructional materials on its basis. You can see the results of the studying its chemical and mineralogical composition. Furthermore, there are findings from the comprehensive thermic analysis, by which we can form an opinion about the physicochemical modification, arose in the vermiculite's concentrate from the heating and connected with different kinds of water condition, characterized the process of vermiculite's exfoliation.
Keywords: exfoliated vermiculite of tatar deposit (EVT), the concentrate of vermiculite of tatar deposit (CVT), the batch of vermiculite's layers, the batch of micaceous layers, the chemical composition of the concentrate.
