Исследование цеолитсодержащих кремнистых пород Дагестана для получения минеральной добавки в цемент

В настоящее время цеолиты и цеолитсодержащие кремнистые породы находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, охране окружающей среды, производстве нетрадиционных видов высококачественных строительных, изоляционных и иных материалов, а также в качестве минеральной добавки в цементной промышленности. Компании по добыче цеолитсодержащего сырья, созданные в последние годы, разрабатывают собственные технические условия для каждого вида цеолитовой продукции [1, 9, 10].

Опал-кристобалит-тридимитовая фаза существенно влияет на технологические свойства, качество це-

олитового сырья и возможные области его применения [8].

Современные технологии при использовании це-олитсодержащих пород в цементной промышленности в основном заключаются в измельчении этих пород совместно с клинкером в шаровых мельницах [10, 11].

Проблема создания минерально-сырьевой базы цеолитов в европейской части России весьма актуальна. Одной из наиболее перспективных с геологической точки зрения является территория Северного Кавказа и юга Русской платформы [2, 3].

Кремнистые породы опал-кристобалит-тридими-тового (ОКТ) состава с содержанием цеолитов (10– 50 %) развиты на Левашинском и Рубасчайском участках Республики Дагестан (РД) [4–6]. На других участках региона такие породы проявлены в ограниченном объеме. Впервые эти породы Дагестана нами рассматриваются как сырье для цементной промышленности. Это имеет большое значение для республики и других регионов России при современном растущем объеме строительства разных зданий и сооружений.

Исходя из того, что породы Левашинского и Рубасчайского участков имеют схожий состав, нами рассматривается только один из этих участков — Левашинский, с которого были отобраны пробы для оценки перспектив в цементной промышленности.

Краткий геологический очерк

На Левашинской площади РД (рис. 1) продуктивный горизонт занимает нижнюю-среднюю кремни-сто-карбонатную часть разреза толщи зеленых мергелей (палеоген). Верхняя часть толщи характеризуется переслаиванием в разной степени кремнистых и глинистых известняков и мергелей, а в нижележащих толщах и свитах они полностью отсутствуют [7].

На Левобережном участке Левашинской площади, на доступных для открытой разработки глубинах (50 м) толща зеленых мергелей содержит три пласта, сложенных цеолитистыми и кремнистыми породами [8].

Поисковые работы на цеолиты и цеолитсодержа-щие породы на Левашинской (Левашинский район) и Рубасчайской (Табасаранский и Кайтагский районы) площадях Нагорного Дагестана выполнены Нерудной партией ОАО «Севкавгеология» в 2007–2009 гг. Подсчитаны ресурсы кремнистых цеолитсодержащих пород: по категории Р1 — 49.308 млн т, по категории Р2 — 69.470 млн т (Поисковые работы на цеолиты и це-олитсодержащие кремнистые породы на Левашинской и Рубасчайской площадях Нагорного Дагестана: Отчет / 2009. М. М. Курбанов).

Первый пласт зафиксирован в скважинах, пробуренных при поисковых работах в приповерхностной части площади. Предполагается, что основная часть пласта денудирована и он сохранился лишь на ограниченной территории. Пласт сложен преимущественно кремнисто-карбонатной породой.

Второй пласт залегает на глубине от 3 до 70 м от поверхности (в зависимости от глубины эрозионного среза на локальных участках). Он локализуется преимущественно в кремнисто-карбонатных породах и вскрыт в 11 скважинах. Цеолиты в количестве от 10 до 46 % установлены во всех скважинах. Содержание ОКТ колеблется в пределах 13–37 %, кальцита — 17–54 % (Поисковые..., 2009).

Во всех скважинах установлено оруденение, удовлетворяющее предельным параметрам (суммарное содержание цеолитов и ОКТ выше 45 %). Практически все прогнозные ресурсы сырья Левобережного участка (30 млн т) сосредоточены в этом пласте (Поисковые..., 2009).

Третий пласт вскрыт 6 скважинами. В двух скважинах вскрыты породы с содержанием цеолитов 15– 25 %. Содержание ОКТ — 22–38 %, кальцита — 36–46 %. В остальных скважинах ни по одной из линий пересечения не установлено оруденение.

Объекты и методы исследования

Для проведения лабораторно-технологических испытаний предоставлены четыре пробы кремнистого сырья участка «Леваши» Республики Дагестан (№ 1–4) для определения возможности их применения в качестве активной минеральной добавки в цемент. Содержание ОКТ-фазы и цеолитов составляет соответственно 39, 41, 59 и 31 %.

Аналитические исследования цеолитсодержащих и вскрышных пород (рентгенографический количественный фазовый анализ, химический анализ с определением аморфного SiO2, дифференциально-термический анализ) выполнены ФГУП «ЦНИИгеолнеруд».

Для проведения лабораторно-технологических испытаний пробы были предварительно раздроблены на щековой дробилке ДГЩ 100 × 60 до размера частиц менее 5 мм, усреднены и высушены в сушильном шкафу марки СНОЛ 2.5 × 2.5 × 2.5/2 при температуре 100– 105 °С в течение 12 часов. Последующее тонкое измельчение (помол) производилось в центробежном истирателе ЦИ-200 до полного прохождения частиц через сито № 008 с точностью до 0.1 %.

Подготовленные пробы кремнистых пород вводились в товарный бездобавочный портландцемент марки 400 в количестве 10, 20 и 30 %. По стандартной методике изготавливались лабораторные цементные образцы и определялись прочностные характеристики [8, 11].

Для исследуемых проб кремнисто-цеолитистых пород была оценена активность по прочности в соответствии с методикой, приведенной в ГОСТ 25094-94 «Добавки активные минеральные для цементов. Методы для испытаний». Активность минеральной добавки определялась статистической оценкой значимости различий прочности при сжатии образцов с добавкой и образцов с песком. Критерий Стьюдента (или t-критерий) рассчитывали по пределу прочности при сжатии.

Результаты и их обсуждение

В результате проведенных исследований определено, что наибольший прирост прочности для проб № 1 и 2 достигается при содержании добавки 10 % (прочность при сжатии увеличилась соответственно на 10.6 и 6.6); для проб № 3 и 4 — при содержании добавки 20 % (прочность при сжатии увеличилась соответственно на 11.8 и 7.2 %). Добавка в цемент материала пробы № 3 увеличивает его марку с 400 до 550.

• 1. Участок «Леваши» / Levashi area • 2. Участок «Дюбек» / Dyubek area

Рис. 1. Геологическая карта Дагестана

Fig. 1. Geological map of Dagestan

Таким образом, повышение марочности цемента до значения 550 достигнуто при добавлении в него породы с наибольшим значением кремнеземистости (59 % у пробы № 3) в количестве 20 %. Добавка материала проб № 1, 2 и 4 с суммой цеолита и ОКТ 31–41 % позволяет получить цемент с наибольшей маркой — 500. Результат испытаний закономерен, поскольку марка цемента напрямую зависит от содержания вводимой в него добавки активных фаз цеолит-опал-кристоба-лит-тридимита.

Эмпирически установленное (табличное) значение t-критерия равно 2.07. При меньшем значении критерия добавка считается не прошедшей испытания, а выше — выдержавшей испытания на активность по прочности. Рассчитанное нами значение t-критерия для всех проб составляет 52.21–73.90. Поскольку значения t-критерия для всех проб также больше 15.00 (в соответствии с ГОСТ 310.4-81 — минимальная величина критерия, допускающая не проводить испытания по определению водостойкости), определение этих параметров не проводилось.

Заключение

Прогнозные ресурсы, их лабораторно-технологические свойства (физико-химические, химические, технологические) свидетельствуют о возможности создания прочной минерально-сырьевой базы и строительства крупных комплексов по добыче и переработке цеолитов и кремнистых пород в Левашинском (Левобережный и Правобережный участки) и Табасаранском (участок «Дюбек») районах Республики Дагестан.

Таким образом, кремнистые породы участка «Леваши» пригодны для использования в качестве добавки в портландцемент, что позволит экономить цементный клинкер в процессе производства и улучшить качество самого цемента.

Вывод о пригодности использования цеолит-кремнистого сырья участка «Леваши» в цементной промышленности сделан на основании испытаний проб, которые отражают его состав по блоку подсчета запасов. Данный вывод с уверенностью можно распространить на кремнистые породы в пределах Левашинской и Дюбекской площадей, поскольку по качеству (содержанию ОКТ-фазы и цеолитов) они соответствуют испытуемым породам и даже их превосходят.