СВОЙСТВА КРЕМНИСТЫХ ПОРОД

Софье Федоровне Кореньковой исполняется 75 лет!

Софья Федоровна Коренькова родилась 22 декабря 1937 г. в Приморском крае. По окончании в 1961 г. Куйбышевского инженерно-строительного института им. А.И. Микояна работала на производстве технологом, начальником лаборатории.

В 1964 г. Софья Федоровна Коренькова пришла в институт НИИКерамзит на скромную должность инженера. Здесь началось ее увлечение научной работой. Она стала старшим научным сотрудником, руководителем группы. В 1973 г. С.Ф. Коренькова продолжила научную деятельность в КуИСИна кафедре строительных материалов, где прошла путь от ассистента до заведующего кафедрой (1997-2008 гг.).

Кандидатская диссертация (1974г.) С.Ф. Кореньковой была посвящена получению керамзитового гравия из загрязненного сернистыми примесями глинистого сырья, а в 1996 г. она успешно защитила докторскую диссертацию на тему «Теоретические и технологические принципы применения шламовых отходов в производстве строительных материалов».

На протяжении всей научной деятельности важнейшим направлением исследований Софьи Федоровны является разработка широкой гаммы материалов общестроительного и специального назначения на основе промышленных отходов и их внедрение в производство. Ею были разработаны: дорожные асфальтобетоны на базе органоминеральных шламов; технология получения легких пористых заполнителей на базе невспучивающихся глин; составы легких и тяжелых бетонов с добавкой карбонатного шлама ТЭЦ, разработанные С.Ф. Кореньковой, внедрены в производство, и на их базе выпускаются различные железобетонные конструкции на заводах ЖБИ Самары и др. Разработана и запатентована технология получения кладочных и штукатурных строительных растворов с применением карбонатсодержаще-го шлама водоподготовки.

Профессор, д-р техн. наук С.Ф. Коренькова ведет активную научно-педагогическую деятельность: является руководителем докторантов, аспирантов, магистров, руководит научно-исследовательскими и дипломными работами студентов. В течение ряда лет является руководителем Самарской школы материаловедов и участвует в выполнении научно-исследовательских работ по проблеме «Разработка экологически чистых технологий и утилизации отходов», развивает перспективное научное направление использования нового нанотехногенного сырья и других промышленных отходов.

Результаты научной деятельности С.Ф. Кореньковой отражены более чем в 300работах, в том числе монографиях и учебных пособиях. Она является автором 35 авторских свидетельств и патентов. Под ее руководством подготовлены и защищены 15кандидатских и 12 магистерских диссертаций.

С.Ф. Кореньковой присвоено звание «Почетный работник высшей школы», «Заслуженный изобретатель СССР», она является академиком Международной академии МАНЭБ, членом-корреспондентом Российской экологической академии.

Ректорат, коллектив кафедры строительных материалов СГАСУ, редакция и редакционный совет журнала «Строительные материалы»® сердечно поздравляют Софью Федоровну Коренькову с юбилеем и желают благополучия и дальнейших творческих успехов.

УДК 553.57:691.217

Н.Г. ЧУМАЧЕНКО, д-р техн. наук, М.Н. БАРАНОВА, канд. техн. наук, С.Ф. КОРЕНЬКОВА, д-р техн. наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Свойства кремнистых пород

По распространению, запасам и опыту применения кремнистые породы представляют большой интерес. Наиболее полная классификация кремнистых (или опал-кристобалитовых) пород предложена У.Г. Диста-новым [1], в которой выделено две группы.

К первой группе относят породы, состоящие из кремниевых скелетов микроорганизмов (панцирей диатомовых водорослей, радиолярий, спикул губок): диатомиты, спонголиты, радиоляриты. Ко второй группе — породы химического осаждения, представленные бесструктурными, глобулярными частицами опала: опоки, трепелы. Спонголиты и радиоляриты менее востребованы ввиду малых запасов.

Существенный вклад в изучение структуры и свойств кремнистых пород внесли С.И. Дружинин, Е.В. Ко-стырко, В.Н. Иваненко, А.А. Крупин, У.Г. Дистанов, И.В. Хворова, А.Л. Дмитрук и другие. Однако химический и минералогический состав, особенности микро- и макроструктуры разных групп были изучены недостаточно.

Наиболее полные всесторонние исследования по ряду месторождениям кремнистых пород были проведены начиная с 1980-х гг. НИИКерамзите и на кафедре строительных материалов Самарского государственного архитектурно-строительного университета. По результатам исследований 35 месторождений кремнистых опал-кристобалитовых пород европейской территории Российской Федерации, а также 75 проявлений кремнистых месторождений севера Тюменской области М.Н. Барановой установлено изменение микро- и макроструктуры, минерального и химического составов [2]. Были изучены окремнелые, нормальные и выве-трелые опоки; плотные и рыхлые трепелы; диатомиты и глинистые диатомиты; а также кремнистые глины.

Исходный вид, а также макро- и микроструктура характерных представителей кремнистых пород представлены в табл. 1, а их основные свойства в табл. 2.

Опоки — легкие плотные тонкопористые породы, состоящие из мельчайших, размером менее 0,005 мм, изометрических и неправильных частиц опал-кристобали-тового состава. Цвет: от темно-серых до светло- и желто-серых для выветренных разновидностей.

Поровое пространство между блоками и глобулами в опоках имеет трещинно- и щелевидную форму с сообщающимися каналами. Распределение пор неравномерное. У светлых и выветрелых опок, как правило, развиты макропоры.

научно-технический и производственный журнал

декабрь 2012

Таблица 1

Макро- и микроструктура кремнистых пород

Таблица 2

Основные свойства кремнистых пород

Показатель Основные свойства кремнистых пород

Опоки Трепелы Диатомиты

Средняя плотность, г/см3 1,2-1,6 [1] 1-1,4 [2] 0,7-1,2 [2] 0,25-0,7 [1] 0,43-0,8 [2]

Истинная плотность, г/см3 2-2,2 [2] 2,2-2,5 [2] 2-2,6 [2]

Пористость, % Менее 60 [1] 15-50 [2] 60-64 [2] 90-92 [2]

Размер пор, А 30-100 [2] С мелкими порами Преобладающий радиус переходных пор 15-45 [2] До 100 [1] 30-60 и более[2] С мелкими порами До 1000 С крупными порами

Удельная поверхность, м2/г > 110 60-90 20-50

Прочность при сжатии, кг/см2 50-160 [1] 20-40 [2] 28-32 [1] 30-35 [2] 7,3-34,3 [1] 5-35 [2]

Твердость по шкале Мооса 3-6 1-3

Пластичность Не пластичные Пластичные Среднепластичные

Физическое состояние Окремнелые, нормальные, мягкие Рыхлые Мягкие

Микроструктура опок глобулярная, с глобулами опала, пронизанными кристаллами кристобалита. Они характеризуются псевдоупорядоченным блочным строением с сообщающимися каналами (табл. 1). Наряду с этим микрочастицы опок могут иметь вид призматических блоков. По мнению М.Н. Барановой, блоки представлены криптокристаллическим веществом из опала и кристаллов кварца. В этом криптокристаллическом веществе присутствуют многочисленные включения зерен кварца, иногда полевого шпата, а также равномерно распределенные агрегаты глинистых минералов, чаще всего гидрослюдистого состава.

Диатомиты — легкие тонкопористые породы, сложенные мельчайшими опаловыми обломками скелетов диатомовых водорослей. Окраска светло-серая, светло-кремовая.

Макроструктура диатомитов отличается более развитой и равномерно распределенной микропористостью.

Микроструктура диатомитов имеет органогенное строение с многочисленными микропорами сферических форм, равномерно распределенными в преобладающей массе (табл. 1).

При петрографическом исследовании в проходящем свете микроскопа преобладающая масса (до 50%) представлена хорошо сохранившимися остатками диатоми-ий в виде округлых, правильно сферических, треугольных, цилиндрических форм и обломков из этих форм.

Все они состоят из опала, а пустотные пространства в них заполнены глинистыми минералами (гидрослюды с возможной примесью монтмориллонита). В породе равномерно присутствуют включения мелких угловатых зерен кварца и полевого шпата, а иногда округлые зерна глауконита.

Трепелы — легкие тонкопористые породы. Они является разновидностью опоки, но меньшей плотности. По внешнему виду напоминают диатомиты. Цвет светлосерый с темно- и буровато-серым оттенком.

Микроструктура трепелов неоднородная. Характеризуется неупорядоченным распределением псевдоизометрических частиц опала, агрегатами полиминеральных глин с трещинками и порами (табл. 1). Петрографическое исследование в поляризованном свете микроскопа показало преобладание бесструктурных частиц опала и кристобалита со следами растворения поверхности.

Из рассматриваемых разновидностей опоки имеют наименьшую пористость и относятся к наиболее тяжелым (самые высокие значения средней плотности) кремнистым породам. Величина пористости колеблется в пределах 15—50%. В диатомитах самая высокая пористость из кремнистых пород — 90—92%. Трепелы занимают промежуточное положение. Истинная плотность изменяется в небольших пределах и зависит от содержания обломочных материалов.

¡■Л ®

научно-технический и производственный журнал

декабрь 2012 73

А Окремнелые опоки ▲ Нормальные опоки А Выветрелые опоки ® Кремнистые глины э Плотные трепелы о Рыхлые трепелы □ Диатомиты н Глинистые диатомиты

Опал 100%

Таблица 3

Содержание основных минералов в кремнистых породах

Рис. 1. Минеральный состав кремнистых пород

Кварц

Л Окремнелые опоки ▲ Нормальные опоки А Выветрелые опоки ч Кремнистые глины э Плотные трепелы о Рыхлые трепелы □ Диатомиты н Глинистые диатомиты

SiO2 100%

№)0 10 20 30

Рис. 2. Химический состав кремнистых пород

Вид кремнистой породы Номер на рис. 2 Содержание минералов, мас. %

Опал Кварц Кристобалит

Исходные кремнистые породы

Окремнелые опоки 1 84-88 6-10 4-7

Нормальные опоки 2 78-83 12-13 4-12

Плотные трепелы 5 64-84 13-31 3-15

Диатомиты 7 64-92 8-35 0-2

Кремнистые породы, подверженные разной степени выветривания

Выветрелые опоки 3 75-78 15-20 6-10

Рыхлые трепелы 6 73-87 8-18 2-17

Кремнистые глины 4 65-77 9-25 6-20

Глинистые диатомиты 8 56-98 3-35 1-17

Таблица 4

Минеральный состав кремнистых пород

Минеральный состав Минерал Наличие минералов в кремнистых породах

Опоки Диатомиты Трепелы

Ф ы ы л Опал + + +

н ш О а р е Кварц + + +

сн О ин м Кристобалит + - +

Полевые шпаты + + +

я я о Гидрослюда + + +

и п: ф ае Гематит + + ^ к ь Каолинит + + в ^ Монтмориллонит + + +

си ф м я о Тридимит + - +

ри едко зечак Глауконит + - о Ш Цеолит - - +

Опоки и трепелы имеют мелкие поры от 30 до 100А. Размер пор в диатомитах на порядок выше — до 1000А, и они относятся к породам с крупными порами.

Удельная поверхность прежде всего определяется размерами пор. Наибольшее значение (более 100 м2/г) характерно для опок, несколько меньшее — для трепелов. Диатомиты, несмотря на наибольшую пористость, имеют удельную поверхность в несколько раз меньше.

Прочность определяется количественным соотношением основных компонентов, степенью метамор-физации пород, а также пористостью и варьируется в широких пределах. Высокие показатели (до 14 МПа) имеют наиболее плотные разности опок, а наименьшие — 2—3 МПа — светлые выветрелые разности. Самая низкая прочность у диатомитов. Стабильные прочностные показатели характерны для трепелов.

Твердость пород определяется их прочностью. Опоки характеризуются большой твердостью. Твердость по шкале Мооса колеблется от 3 до 6. Они крепкие, звонкие при ударе, с полураковистым и раковистым изломом, не пластичные. Диатомиты — породы мягкие, среднепластичные. Твердость по шкале Мооса колеблется от 1 до 3. Трепелы — рыхлые пластичные породы.

Водонасыщение и степень размягчения опок варьируются в широких пределах.

Адсорбционные свойства и гидравлическая активность кремнистых пород зависят от микропористости и содержания аморфного кремнезема. Гидравлическая активность по связыванию СаО составляет: для опок — до 200, трепелов — до 100 и диатомитов 60—80 мг/г.

Кремнистые породы состоят из трех основных минералов: опала, кварца и кристобалита. Преобладающим является аморфный кремнезем — опал ^Ю2хпН2О). В зависимости от условий образования различают две разновидности опала: опал, который отлагается при относительно низкой температуре из воды, содержащей кремнезем, и в большинстве случаев представлен затвердевшим коллоидным кремнеземом, образованным за счет осаждения коллоидных частиц; и опал, который содержится в губках, радиоляриях и диатомовых водорослях.

Расположение исследованных кремнистых пород на диаграмме опал-кристобалит-кварц приведено на рис. 1.

Все исследованные кремнистые породы были условно разделены на две группы: исходные кремнистые породы, кремнистые породы разной степенью выветривания. В результате петрографического и количественного рентгеноструктурного анализа выявлено содержание минералов в исследуемых породах (табл. 3).

Данные табл. 3 показывают, что преобладающим минералом кремнистых пород является опал. Кроме основных минералов, в кремнистые породы в виде примесей и включений входят полевые шпаты и гидрослюды. Часто встречаются гематит, глинистые минералы каолинит и монтмориллонит. В опоках и трепелах может присутствовать тридимит. Глауконит обнаружен в опоках, а цеолит — в трепелах (табл. 4).

Минеральный состав кремнистых пород определяет химический состав. Предельные содержания оксидов в исследуемом кремнистом сырье по результатам химического анализа приведены в табл. 5.

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 74 декабрь 2012 ~ Л1] ®

Таблица 5

Пределы содержания оксидов в главных группах кремнистых породах

Вид кремнистой породы Содержание оксидов, мас. %

SiO2 А1А ППП

Опоки 79-84 3-6 1,8-3,3 0,4-0,8 1,3-1,7 2-5 3,1-5,8

Диатомиты 66-78 5-7 3,2-4,8 0,2-0,8 2,5-3,8 1,5-4,5 6,3-8,9

Глинистые диатомиты 68-73 5-10 4,4-5,2 1,4-1,7 1,5-3 1,7-4,6 9-10

Трепелы 48-61 12-16 6,1-12,2* 1-1,9* 2,5-4* 3-5,5* 8-13*

Таблица 6

Пределы содержания оксидов SiO2, А1203 и в кремнистых породах

Вид кремнистой породы Номер на рис. 2 Содержание оксидов, мас. %

SiO2 А1А R2)O

Исходные кремнистые породы

Окремнелые опоки, нормальные опоки 1, 2 70-92 5-20 4-18

Плотные трепелы 5 78-87 5-10 8-12

Диатомиты 7 73-78 5-14 9-22

Кремнистые породы, подверженные разной степени выветривания

Выветрелые опоки 3 62-78 11-26 5-22

Рыхлые трепелы 6 60-87 2-34 2-25

Кремнистые глины 4 54-92 5-37 2-25

Глинистые диатомиты 8 48-76 6-12 6-12

Каждая группа кремнистого сырья занимает определенное место на диаграмме SЮ2 — А1203 — ^Д2)0, представленной на рис. 2.

Пределы содержания SiO2, А1203 и в химическом составе кремнистых пород приведены в табл. 6.

Данные табл. 6 показывают, что преобладающим оксидом в кремнистых породах является SiO2, вторым преобладающим компонентом является — А1203. Максимальное содержание SiO2 — у опок и кремнистых глин. Минимальное — у глинистых диатомитов (до 76%). Диапазон изменения SiO2 у опок наиболее широкий (от 70 до 92%), а у диатомитов — самый узкий (от 73 до 78%). Трепелы занимают промежуточное положение. Диапазон изменения расширяется при выветривании. Самый большой интервал у кремнистых глин (от 54 до 92%).

При выветривании диапазон содержания расширяется и в рыхлых трепелах и кремнистых глинах может достигать 25%. По сравнению с исходными кремнистыми породами в рыхлых трепелах и кремнистых глинах минимальное содержание понижается до 2%. Такие значения можно объяснить меньшим содержанием ^Д2)0 в примесях и включениях, попадающих в исходные кремнистые породы при их выветривании.

Происхождение пород оказывает существенное влияние на их структурные особенности. И.В. Хворова и А.Л. Дмитрук [4], изучая микроструктуры кремнистых пород электронно-микроскопическими методами, установили, что в диатомитах микроструктура неоднородная, имеет губчатую поверхность, а кристалломорф-ные кремнистые частицы отсутствуют. Микроструктура опок, по мнению этих авторов, сложная глобулярная, встречаются участки колломорфного строения. Для многих образцов характерно сгустково-глобулярное строение или микрофрагментарное.

По Р.К. Айлеру и У.А. Диру [3], опал состоит из чрезвычайно малых частиц или пористых агрегатов с развитой внутренней поверхностью.

Структура, пластичность, размокание Опоки. При петрографическом исследовании установлено различие в структуре исследованных опок: от плотной с раковистым изломом до рыхлой с землистым изломом.

Диатомиты. Все пробы исследуемых диатомитов размокают в воде, по числу пластичности относятся к среднепластичному сырью.

Трепелы. В структуре исследуемых трепелов преобладает разрыхленное строение, часто с землистым изломом. При петрографическом исследовании наблюдается формирование сложных колломорфных агрегатов.

Основные свойства разновидностей кремнистых пород представлены в табл. 2. По генезису, макро- и микроструктуре породы отчаются, что проявляется в свойствах и влияет на область их применения. В настоящее время использование кремнистых пород в производстве строительных материалов стремительно расширяется [5—8]. Их используют в производстве силикатного кирпича в качестве кремнеземистого заполнителя, в производстве керамических стеновых материалов, как методом пластического формования, так и полусухим прессованием, получая при этом широкую номенклатуру изделий, от облицовочных до теплоизоляционных. Учитывая широкое распространение и большие запасы кремнистых пород, их вовлечение в производство строительных материалов будет расширяться.

Список литературы

научно-технический и производственный журнал

декабрь 2012