Генезис и общая характеристика аргиллитоподобных глин как сырья для производства клинкерного кирпича

УДК 691.42 + 552.52

ГЕНЕЗИС И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АРГИЛЛИТОПОДОБНЫХ ГЛИН КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРНОГО КИРПИЧА

Котляр А.В.

Ростовский государственный строительный университет, Ростов-на-Дону

GENESIS AND GENERAL CHARACTERISTICS ARRGILLACEOUS-LIKE CLAYSAS RAW MATERIALS FOR THE PRODUCTION OF CLINKER

Kotlyar A.V.

Rostov State University of Civil Engineering, Rostov-on-Don

Дана общая характеристика аргиллитоподобных глин как потенциального сырья для производства клинкерного кирпича с учётом химико-минералогического состава и структурных особенностей. Подчёркивается, что основные свойства аргиллитоподбных глин обусловлены их генезисом. Отмечается, что определённые трудности между геологами, технологами, работниками испытательных лабораторий и т.д., вызывают особенности терминологии применительно к камневидному глинистому сырью. Дано определение аргиллитоподобных основанное на геолого-технологических признаках. На основе многофакторного анализа обоснована высокая перспективность использования аргиллитоподобных глин как сырья для производства клинкерного кирпича способом компрессионного формования изделий.

Ключевые слова: аргиллитоподобная глина, аргиллит, минералы, структура, керамика, кирпич.

The general characteristic of argillaceous-like clays as a potential raw material for the production of clinker in view of chemical and mineralogical composition and structural features is given. It is emphasized that the basic properties of argillaceous-like clays are caused due to their genesis. It is noted that some difficulties between geologists, technologists, workers testing laboratories, etc., cause particular terminology applied to the clay raw material of stone. The definition of argillic based on geological and technical characteristics. On the bases of multivariate analysis the high argillic prospects of using clay as a raw material for the production of clinker method of compression molding products is proved.

Key words: argillaceous-like clays, argillite, minerals, structure, ceramics, brick.

Всё увеличивающийся спрос на клинкерный кирпич ставит задачу поиска новых сырьевых материалов для его производства. Проведённый многофакторный анализ сырьевой базы строительной керамики показал, что для производства клинкерного кирпича весьма перспективными могут оказаться аргиллитоподобные глины. В дословном переводе данный термин означает: аргиллит это в переводе с греческого «argillos» (ApYiAog) - глина и «lithos» - камень; глина - общеславянское слово. Старославянское - «глинь»; болгарское - «глиПна, гниПла»; чешское - hlina; сербохорватское - «г^ила»; словенское - «glina». На древневерхненемецком «glenan» дословно означает «клеить, мазать». Как видно, в дословном переводе термин -«аргиллитоподобная глина» не совсем точен. Синонимами в английском языке являются слова: mudstone (mud - грязь, ил, глина; stone - камень), claystone (clay -глина, пластилин, клей; stone - камень).

До настоящего времени не существует чёткого общепринятого «узаконенного» определения «аргиллитоподобная глина», хотя этот термин широко применяется в геологической и инженерно-геологической литературе. К примеру, в основном нормативном документе, регламентирующем геологические работы по глинистому сырью, названия пород даны достаточно расплывчато [1]:

- глины - несцементированные связные пластичные осадочные породы, обладающие свойством образовывать с водой вязкую массу, способную формоваться и сохранять приданную ей форму. Обожженная в огне - приобретает каменную твердость и крепость;

- аргиллитыкамнеподобные породы, не размокающие в воде, образующиеся в результате уплотнения и эпигенеза глин. По минеральному составу аргиллиты практически не отличаются от глин;

- глинистые сланцы - метаморфические плотные сланцеватые породы, состоящие из гидрослюд, хлорита, иногда каолинита, реликтов других глинистых минералов, кварца, полевого шпата и других неглинистых минералов.

В приведённом геологическом документе, как и в других, отсутствует понятие «аргиллитоподобная глина». Это вызывает определённые трудности, и на наш взгляд, является существенным сдерживающим фактором препятствующим широкому внедрению аргиллитоподобных глин в производство различных видов керамики. На самом деле проблема терминологии очень серьёзная. Кажется, что эта проблема второстепенна, но только на первый взгляд. Порой добыть и изучить полезное ископаемое легче, чем его назвать и классифицировать. Постепенное, эволюционное накапливание знаний заканчивается установлением новых закономерностей, служащих базой для разработки новых показателей, методов, методик, технологий. Параллельно необходимо обновление терминологии, но именно этот момент часто является тормозом, внося существенную путаницу в научные и технические понятия, поскольку в разных научных школах и регионах часто применяются различные термины. Это в полной мере относится и глинистым породам, где нет общепринятых терминов и названий между геологами, технологами, работниками испытательных лабораторий и т.д. Отсутствие чётких геологических и технологических признаков в названиях пород вызывает путаницу и неточности в терминологии. Это в свою очередь порождает недопонимание между различными специалистами и вызывает затруднения в разработке методик испытаний, установлении требований к определённому виду сырья, разработкетехнологических схем производства и т.д.В общем смысле понятно, что аргиллитоподобные глины это переходные разновидности между собственно глинами и аргиллитами и определить чёткие границы между этими породами достаточно затруднительно.

Учитывая вышесказанное и технологическую направленность наших исследований мы ориентировались на ГОСТ 21216-2014 «Сырьё глинистое. Методы испытаний». Данный нормативный документ распространяется на глинистое сырьё и устанавливает требования к средствам и процедуре проведения испытаний в целях оценки качества глинистого сырья. В данном документе в разделе «Термины и определения» п. 3.3 даётся характеристика камневидного глинистого сырья - «сырье глинистое камнеподобное: Плотные и хрупкие глинистые породы влажностью 3%-9%,

не размокающие или плохо размокающие в воде». Так вот аргиллитоподобные глины

- это плотные глинистые породы, плохо размокающие в воде. На основе анализа научно-геологической и технической литературы, нормативных документов в наших исследованиях под термином аргиллитоподобная глина мы понимаем, что это плотная слабосцементированная глинистая осадочная горная порода, имеющая нечётко выраженную слоистость, образуящаяся в результате уплотнения и эпигенеза глин, которая при взаимодействии с водой медленно рассланцовывается и распадается на мелкие отдельности, способные примеханическом воздействии диспергироваться и образовывать малопластичную и пластичную массу. Под термином «плохо размокающие в воде» следует понимать - размокают очень медленно, размокают при механическом воздействии и многократном увлажнении и высыхании. Это подтверждается литературными данными и многочисленными испытаниями и указывалось в наших публикациях и публикациях других авторов [210]. Для лучшего понимания особенностей вещественного состава и технологических свойств аргиллитоподобных необходимо рассмотреть условия их образования.

Формирование технологических свойств аргиллитоподобных глин тесно связано с их генезисом и историей существования, а также с теми процессами, влияние которых они испытали от времени формирования первичного глинистого осадка до его существенного преобразования. Накопление первичного осадка и первичных глин происходило в условиях умеренно-глубоководного фациального типа

- глубины в среднем от 200 до 500 м и частично шельфа. Это довольно монотонные и однородные по литологическому составу отложения, прослеживающиеся на больших расстояниях. На шельфе, это мелководные фации (глубины 70-200 м), в это время происходило накопление преимущественно песчано-алевритового материала.Связано это с гидродинамическим режимом морских бассейнов. Минеральный состав первичного глинисто-органического осадка мог быть достаточно разнообразен. Это зависит от вида выветриваемых пород слагающих сушу - при выветривании кислых магматических пород образовывались гидрослюды и каолинит, при выветривании основных пород, содержащих значительное количество Мд и Са, образуется монтмориллонит. Также данный минерал может образовыватьсяв морской среде -путем трансформации гидрослюд и слюд. Однако основными накапливаемыми минералами являются, как правило, гидрослюды, смешанослойные минералы, затем каолинит и только потом монтмориллонит.

При попадании в водную среду глинистые частицы и минералы формируют вокруг себядвойной электрический слой и образуется дисперсная система. Под влияниемгравитационных сил в процессе седиментогегнезаони сближаются и начинают взаимодействовать. Характервзаимодействия частиц и скорость осаждения на дно седиментационныхбассейнов различны и зависят от их формы, минерального состава, размераихимического состава водной суспензии. Глинистые минералы, напримерсмешанослойные, смектиты и некоторые гидрослюды, находясь вводной среде во взвешенном состоянии, образуют вокруг себя развитуюгидратную пленку, что затрудняет их коагуляцию с образованиеммикроагрегатов. По этой причине они неосаждаются в мелководных частях седиментационного бассейна и выносятся

вболее глубоководную его часть, что обуславливает их накопление в осадках, сформировавшихся в условиях шельфа средних глубин и умеренно-глубоководных глубин. Глинистые минералыгруппы каолинита обладают меньшей устойчивостью в природных дисперсиях по сравнению с вышеуказанными, что объясняется относительно большими размерами самих частиц ислабым развитием вокруг них диффузных слоёв. Поэтому они могут интенсивно агрегировать и ещё больше увеличивать свои размеры, образуя микроагрегаты, которые осаждаются на ранней стадии седиментогенеза и выпадают в осадок вшельфа вместе с песчано-пылеватым материалом [10-12].

После формирования глинистого осадка на протяжении десятков миллионов лет происходило его погружение иуплотнение под внешними нагрузками от вышележащихтолщ. Формирование аргиллитоподобных глин происходило, при погружении первичных глинистых пород на глубины в среднем 1000-3000 м, что соответствует раннему этапу катагенетических преобразований, при воздействии высокого геостатического давления (20-60 МПа) и повышенных температур. Создаются условия для начала цементации пород за счёт перенасыщения порового раствора кремнием и гидрослюдизации глинистых минералов в условиях избытка калия. При этом между частицами формируются переходные контакты ионно-электростатической природы, а фазовые контакты цементационного, более прочного типа в них окончательно и полностью ещё не формируются. Процесс продолжается до перехода изотермической границы в 65-70°С. В отличие от цементационных, характерных для этой стадии литогенетических преобразований глинистых пород, ионно-электростатические связи в переходных контактах являются частично обратимыми. Поэтому при механическом воздействии и гидратации аргиллитоподобных глин переходные ионно-электростатические контакты частично преображаются в точечные, затем в коагуляционныеразной степени пропорциональности. Аргиллитоподобные глины в той или иной мере не устойчивы к гидратации, поэтому подвержены процессам выветривания. В некотором смысле, по аналогии с технологическими процессами в керамике, можно говорить, что аргиллитоподобные глины - это отпрессованные природой глины, при этом удельные давления «природного и технологического» прессования примерно совпадают.

В результате геологических процессов связанных положительными тектоническими движениями толщи аргиллитоподобных глин оказываются на поверхности Земли или близко к ней. Как правило, это сопровождается активными тектоническими процессами, что часто приводит к образованию складчатых морфологических структур. На поверхности происходит гравитационное и физико-химическое разуплотнение, формируется вторичная трещиноватость, образуются микро- и макротрещины, которые не всегда проявляются и видны макроскопически. Формируется зона (кора) выветривания, мощностью от нескольких метров до десятков метров в зависимости от рельефа, гидрогеологических и климатических условий. Генетически аргиллитоподобные глины связаны с песчаниками, алевролитами, известняками, аргиллитами, а в угледобывающих районах и с углями. Типичным является чередование пластов этих пород. Часто, когда на стадии катагенеза не было

возможности удаления химически связанной воды глинистых минералов, можно наблюдать между пластами аргиллитов пласты аргиллитоподобных глин.

В минеральном составеаргиллитоподобных глин преобладают гидрослюдистые минералы, хотя он достаточно разнообразен. Почти всегда присутствует каолинит, хлорит и может присутствовать в небольшом количестве монтмориллонит. По минералогическому составу можно выделить гидрослюдистые аргиллитоподобные глины, гидрослюдисто-каолинитовые и полиминеральные. Наибольшим распространением пользуются первые и вторые. Связано это условиями образования - воздействием высоких давлений и повышенных температур на первичные глины, в результате чего происходит иллитизация (гидрослюдизация) смектитов - переход монтмориллонитового компонента глин в гидрослюды. При погружении осадочных толщ ниже уровня критических температур и давлений, содержащиеся в глинах пакеты смектитовой фазы, превращаясь в иллиты, выделяют кристаллизационную воду, при этом уменьшается объём иллитовых пакетов глинистой породы и возрастает её пористость, т.е. вблизи границы иллитизации возникает зона разуплотнения глин. Ниже, под действием геостатического давления, иллитовая глина уплотняется до аргиллитоподобных глин и аргиллитов, а поровые воды отжимаются в зону разуплотнения, где возникают сверхвысокие пластовые давления. Глинистые породы литифицируются и теряют полностью или частично пластичность [10-12]. В целом, глинистая составляющая аргиллитоподобных глин представлена в большей мере гидрослюдами (в среднем 50-70 %), каолинитом (20-30 %), хлоритом (5-15 %) и в небольшом количестве могут присутствовать смешанослойнные глинистые минералы и монтмориллонит. Причём гидрослюды представлены двумя морфологическими типами: изометричная, являющаяся аллотигенной составляющей, и удлиненно-пластинчатая - являющаяся, продуктом катагенетического процесса преобразования монтмориллонита. Именно количество и соотношение этих двух составляющих во многом предопределяет технологические свойства данного сырья. В аргиллитоподобных глинахгидрослюды включают в себя следующую группу минералов, в которую входят гидромусковит, иллит, глауконит и браммалит.Основным элементом гидрослюды является слой, состоящий из двух сеток кремнекислородных тетраэдров с одной октаэдрической сеткой между ними. Вершины тетраэдров каждой кремнекислородной сетки повернуты к центру структурного элемента и связываются с октаэдрической сеткой. В иллитовой решетке около 15 % кремния (Э14+) замещены ионами алюминия (Д!3+), причём избыточные заряды компенсируются в основном ионами калия. Гидрослюда занимает промежуточное положение между слюдами и монтмориллонитом.

Помимо глинистых минералов в аргиллитоподобных глинах всегда присутствуют кварц, полевые шпаты, слюды, глауконит, опал, халцедон, оксиды железа и целый ряд акцессорных минералов. Практически всегда аргиллитоподобные глины обогащены углефицированным органическим веществом.

По химическому составу аргиллитоподбные глины не имеют принципиальных отличий от гидрослюдистых и гидрослюдисто-каолинитовых глин. Усреднённый химический состав характеризуются содержанием, % по массе: ЭЮ2 - 50,0-64,0;

^3- 15,0-28,0; Fe2Oз - 4,0-8,0; CaO - 0,5-7,0; MgO - 1,0-3,0; К2О - 2,5-4,5; Na2O -1,0-2,0. Особенностями являются повышенное содержание оксида алюминия в сравнении с суглинками, и оксидов калия и магния, что согласуется с минералогическим составом.

Для аргиллитоподобных глин характерны ориентированные структуры -параллельное расположение чешуек глинистых минералов и слюд. Текстура скорлуповатая, часто с характерными тонкоплитчатыми отдельностями. При длительном увлажнении распадается преимущественно по микротрещинам и плоскостям напластования на отдельные частички. При попеременном увлажнении и высыхании медленно диспергируются на листоватые чешуйки

Как видно, химический и минералогический составы благоприятны для производства клинкерного кирпича.Кремнезёмистый модуль ^Ю2 / R2Oз + RO + RO2) у них в среднем составляет от 3 до 4. Повышенное содержание оксида алюминия в сравнении с суглинками и лёссами расширяет интервал спекания, вязкость расплава и позволяет снизить деформации кирпича при обжиге. Повышенноесодержание оксидов калия и натрия (K2O+Na2O), являющихся сильными плавнями предполагает легкоплавкость сырья и хорошую спекаемость.Преобладание оксида калия над натрием также способствует расширению интервала спекания. Повышенное содержание оксидов железа предопределяет получение черепка от красного, красно-коричневого, вишнево-красного до тёмно-фиолетового.

Минералогический состав и структура аргиллитоподобных глин предопределяет их невысокую пластичность, невысокую воздушную усадку, низкую и среднюю чувствительность к сушке. Всё это предопределяет высокую перспективность аргиллитоподобных глин как сырья для производства клинкерного кирпича способом компрессионного формования изделий.

Библиографический список

1. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Глинистые породы. -М.: 2007,Разработаны Федеральным государственным учреждением «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых» (ФГУ ГКЗ) по заказу Министерства природных ресурсов Российской Федерации. Утверждены распоряжением МПР России от 05.06.2007 г. № 37-р.

2. Котляр А.В., Талпа Б.В. Камневидные глинистые породы Восточного Донбасса перспективное сырьё для производства стеновой керамики // Сборник трудов научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы наук о Земле». Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015. С. 49-51.

3. Кара-сал Б.К., Котельников В.И., Сапелкина Т.В. Получение керамического стенового материала из вскрышных пород углеобогащения // Естественные и технические науки.2015.№ 2. С. 160-163.

4. Котляр А.В., Талпа Б.В. Особенности аргиллитоподобных глин юга России как сырья для производства клинкерного кирпича // Сборник трудов научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы наук о Земле». Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. 2015, С. 51-53.

5. Котляр В.Д., Козлов А.В., Котляр А.В., Терёхина Ю.В. Особенности камневидных глинистых пород Восточного Донбасса как сырья для производства стеновой керамики // Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 95-105.

6. Талпа Б.В., Котляр А.В. Минерально-сырьевая база литифицированных глинистых пород Юга России для производства строительной керамики // Строительные материалы.2015.№ 4.С. 31-33.

7. Котляр В.Д, Терёхина Ю.В., Котляр А.В. Методика испытаний камневидного сырья для производства стеновых изделий компрессионного формования // Строительные материалы. 2014.№ 4. С. 24-27.

8. Хмелевцов А.А. Условия формирования и специфические свойства аргиллитоподобных глин района г. Большой Сочи // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». 2010. № 3. Режим доступа: http://www.ivdon.ru. Дата обращения 11.03.2016 г.

9. Столбоушкин А.Ю. Стеновые керамические материалы матричной структуры на основе обогащения отходов углистых аргиллитов // Известия вузов. Строительство. 2013. № 23. С. 28-36.

10. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств // М.: ГЕОС, 2013. 576 с.

11. Холодов В.Н. Геохимия осадочного процесса// М.: ГЕОС. 2006. 608 с.

12. Фролов В.Т. Литология. Книга 2. // М.: МГУ. 1993. 432 с.

Bibliograficheskij spisok

1. Metodicheskie rekomendacii po primeneniyu Klassifikacii zapa-sov mestorozhdenij i prognoznyh resursov tverdyh poleznyh isko-paemyh. Glinistye porody. -M.: 2007, Razrabotany Federal'nym gosudarstvennym uchrezhdeniem «Gosu-darstvennaya komissiya po zapasam poleznyh iskopaemyh» (FGU GKZ) po zakazu Ministerstva prirodnyh resursov Rossijskoj Federacii. Utverzhdeny rasporyazheniem MPR Rossii ot 05.06.2007 g. № 37-r.

2. Kotlyar A.V., Talpa B.V. Kamnevidnye glinistye porody Vostochnogo Donbassa per-spektivnoe syr'yo dlya proizvodstva stenovoj keramiki // Sbornik trudov nauchnoj konferencii studentov i molodyh uchenyh s mezhdunarodnym uchastiem «Aktual'nye problemy nauk o Zemle». Rostov-na-Donu: Izd-vo YUFU, 2015. S. 49-51.

3. Kara-sal B.K., Kotel'nikov V.l., Sapelkina T.V. Poluchenie keramicheskogo stenovogo materiala iz vskryshnyh porod ugleobogashcheniya // Estestvennye i tekhnicheskie nauki.2015.№ 2. S. 160-163.

4. Kotlyar A.V., Talpa B.V. Osobennosti argillitopodobnyh glin yuga Rossii kak syr'ya dlya proizvodstva klinkernogo kirpicha // Sbornik trudov nauchnoj konferencii studentov i molodyh uchenyh s mezhdunarodnym uchastiem «Aktual'nye problemy nauk o Zemle». Rostov-na-Donu : Izd-vo YUFU. 2015, S. 51-53.

5. Kotlyar V.D., Kozlov A.V., Kotlyar A.V., Teryohina YU.V. Osobennosti kamnevidnyh glinistyh porod Vostochnogo Donbassa kak syr'ya dlya proizvodstva stenovoj keramiki // Vestnik MGSU. 2014. № 10. S. 95-105.

6. Talpa B.V., Kotlyar A.V. Mineral'no-syr'evaya baza litificirovannyh glinistyh porod YUga Rossii dlya proizvodstva stroitel'noj keramiki // Stroitel'nye materialy.2015.№ 4.S. 31-33.

7. Kotlyar V.D, Teryohina YU.V., Kotlyar A.V. Metodika ispytanij kamnevidnogo syr'ya dlya proizvodstva stenovyh izdelij kompressionnogo formovaniya // Stroitel'nye mate-rialy.2014.№ 4.S. 2427.

8. Hmelevcov A.A. Usloviya formirovaniya i specificheskie svojstva argillitopodobnyh glin rajona g. Bol'shoj Sochi // EHlektronnyj nauchnyj zhurnal «Inzhenernyj vestnik Dona». 2010. № 3. Rezhim dostupa: http://www.ivdon.ru. Data obrashcheniya 11.03.2016 g.

9. Stolboushkin A.YU. Stenovye keramicheskie materialy matrichnoj struktury na osnove obogashcheniya othodov uglistyh argillitov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2013. № 2-3. S. 28-36.

10. Osipov V.l., Sokolov V.N. Gliny i ih svojstva. Sostav, stroenie i formirovanie svojstv // M.: GEOS, 2013. 576 s.

11. Holodov V.N. Geohimiya osadochnogo processa // M.: GEOS. 2006. 608 s.

12. Frolov V.T. Litologiya. Kniga 2. // M.: MGU. 1993. 432 s.

Котляр Антон Владимирович - аспирант кафедры строительных материалов, Ростовского государственного строительного университета, г. Ростов-на-Дону, E-mail: 79282797581@ya.ru.

Kotlyar Anton Vladimirovich - aspirant kafedry stroitel'nyh materialov, Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta, g. Rostov-na-Donu, E-mail: 79282797581@ya.ru

УДК 691.327

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ

ПЕНОБЕТОНА

Машкин Н.А., Бартеньева Е.А.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет,

Новосибирск

RESEARCH TECHNOLOGY THE FOAMING PROCESS FOAM CONCRETE

Mashkin N.A., BartenevаЕ.А.

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Novosibirsk

Проведена оценка возможности получения технической пены для производства теплоизоляционно-конструкционного пенобетона на высокоскоростной кавитационной установке с использованием золы-уноса ТЭЦ. Исследовано влияние технологических параметров лабораторной установки на плотность технической пены и стойкость пеномассы, определена прочность образцов неавтоклавного пенобетона, полученных на исследуемых пенах. Определены зависимости характеристик пен, а также их влияние на свойства пенобетона.

Ключевые слова: Пенобетон, высокоскоростной миксер, техническая пена, коэффициент конструктивного качества.

The evaluation of the possibility of technical foams for the production of heat-insulating and structural foam at high cavitation installation using fly ash CHP. The influence of process parameters on the laboratory setup technical foam density and stability of the foam mass, determined the strength of non-autoclaved aerated concrete samples obtained at study foams. The dependence of the characteristics of foams, as well as their influence on the properties of the foam.

Key words: Foam concrete, high speed mixer, technical foam, constructive quality factor.

Исследования в области технологии пенобетона показывают, что он является эффективным строительным материалом [1-4]. Однако его производство связано с рядом проблем: недостаточной конечной прочностью, повышенной усадкой, высокой восприимчивостью к параметрам технологии и качеству сырьевых материалов. Общеизвестно, что на формирование структуры пенобетона, его основные эксплуатационные свойства оказывает влияние не только растворная часть, но и