Рентгенофазовый и термический анализ цеолитсодержащих пород Енгалычевского проявления Республики Мордовия
Автор: Родин А.И., Утюгова Е.С.
Журнал: Огарёв-online @ogarev-online
Статья в выпуске: 6 т.9, 2021 года.
Бесплатный доступ
Приведены результаты исследования пяти видов цеолитсодержащих трепелов Енгалычевского проявления Республики Мордовия методами рентгенофлуоресцентного, рентгенофазового и термического анализов. Даны рекомендации по использованию исследованных кремнистых пород при получении строительных материалов.
Кремнистая порода, рентгенофазовый анализ, строительные материалы, термический анализ, цеолитсодержащий трепел
Короткий адрес: https://sciup.org/147250085
IDR: 147250085
Текст научной статьи Рентгенофазовый и термический анализ цеолитсодержащих пород Енгалычевского проявления Республики Мордовия
Россия занимает первое место в мире по запасам кремнистых, в том числе цеолитсодержащих, пород (свыше 1,6 млрд т) [1]. Основными видами кремнистых пород являются: диатомит, трепел, опока и др. Они обладают рядом положительных качеств, таких как высокая химическая активность, низкая теплопроводность, высокая термическая стойкость и пр. При производстве строительных материалов кремнистые породы используются в основном в качестве активных минеральных добавок в портландцементе, при получении пенодиатомитовых и трепельных кирпичей, в качестве сырья для производства пеностекла и пеностеклокерамики и др. [2; 3]. Несмотря на многообразие вариантов использования кремнистых пород, их применение в рамках производства конкретных строительных материалов определяется химическим и минералогическим составами.
Цель исследований, результаты которых представлены в данной статье, заключалась в определении рациональных областей применения цеолитсодержащих трепелов Енгалычевского проявления Республики Мордовия при получении строительных материалов.
Использованные в работе кремнистые породы были добыты в юго-восточной части Республики Мордовия: Енгалычевское проявление цеолитсодержащих пород (цеолитсодержащий трепел). Территориально оно расположено в северо-западной части Приволжской возвышенности в области подзоны широколиственных лесов и зоны лесостепи. Представляет собой приподнятую и расчлененную равнину с типичными эрозионными формами рельефа – увалы, балки, овраги. Абсолютные отметки изменяются от 100-150 м на юге территории до 250-314 м в центральной и северной части. В целом для района характерны пологие возвышенности, ровные понижения, широкие долины рек, местами заболоченные. Согласно данным отчета [4], прогнозные ресурсы Енгалычевского проявления цеолитсодержащих пород относятся к категории Р2, что подразумевает возможность обнаружения в данном районе новых месторождений. Запасы пород, согласно данным отчета [4], составляют приблизительно 39 млн. м3.
Координаты мест, из которых добыты пробы, приведены в таблице 1.
Координаты мест, из которых добыты пробы
Таблица 1
№ пробы |
Координаты места, из которого добыта проба |
|
С.Ш. |
В.Д. |
|
1 |
54.322331 |
46.396278 |
2 |
54.320929 |
46.405720 |
3 |
54.319302 |
46.396836 |
4 |
54.329338 |
46.384863 |
5 |
54.320654 |
46.344780 |
В ходе эксперимента методами рентгенофлуоресцентного, рентгенофазового и термического анализов определены химический и минералогический состав пяти проб трепелов.
Химический состав проб определен методом рентгенофлуоресцентного анализа с помощью прибора ARL 9900 Workstation. Образцы кремнистой породы измельчались в ступке агатовым пестиком с ацетоном до прохождения через сито с апертурой 90 мкм. Подготовленные образцы запрессовывали на подложки из борной кислоты без дополнительного перетирания. Анализ химического состава осуществляли бесстандартным методом с использованием программного комплекса OptiQuant.
Рентгенофазовый анализ образцов проводился с помощью дифрактометра ARL X'tra (Швейцария). Образцы проб подготавливались по методике, описанной выше. Регистрация дифрактограмм осуществлялась на CuKα1+2 излучении в интервале углов 2Θ = 4–80° со скоростью 1,2°/минуту, с шагом 0,02°, время интеграции 1 сек. Методом Ханавальта с использованием базы данных ICDD PDF-2 был определен качественный фазовый состав образцов. Методом Ритвельда с использованием программного обеспечения Siroquant 3 Sietronics Pty Ltd определено количественное содержание фаз.
Термический анализ образцов трепелов проводился с помощью прибора TGA/DSC1 (Швейцария). Проба массой 15±0,1 мг засыпалась в алундовый тигель объёмом 150 мкл. Далее пробу уплотняли постукиванием тигля о стол. Тигель устанавливали на держатель и помещали в печь. Образец нагревался от 30 до 1000°С со скоростью 10°С/мин.
Химический состав трепелов представлен в таблице 2.
Химический состав пород
Таблица 2
№ состава |
Химический состав, % масс. |
|||||||||||
SiO 2 |
CaO |
Al 2 O 3 |
Fe 2 O 3 |
K 2 O |
MgO |
TiO 2 |
Na 2 O |
SO 3 |
P 2 O 5 |
SrO |
ППП |
|
1 |
69,6 |
6,9 |
7,1 |
2,0 |
1,5 |
1,0 |
0,3 |
0,0 |
0,1 |
0,2 |
0,0 |
11,3 |
2 |
68,5 |
6,8 |
6,8 |
1,8 |
1,5 |
1,0 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,0 |
12,9 |
3 |
67,9 |
7,7 |
7,6 |
2,0 |
1,6 |
1,0 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,2 |
0,1 |
11,3 |
4 |
56,4 |
12,5 |
8,7 |
2,7 |
2,0 |
1,2 |
0,4 |
0,2 |
0,1 |
0,2 |
0,1 |
15,5 |
5 |
62,4 |
11,3 |
6,7 |
2,0 |
1,4 |
0,9 |
0,3 |
0,1 |
0,0 |
0,2 |
0,1 |
14,6 |
В результате анализа данных таблицы 2 установлено, что основное отличие в химическом составе исследуемых трепелов связано с количественным содержанием SiO 2 и CaO. Количество SiO 2 в исследуемых пробах находится в пределах от 56,4 до 69,6 %. Наибольшее количество оксида кремния у составов №1-3 (67,9 – 69,6 %), наименьшее (56,4 %) в составе породы № 4. Данная порода отличается повышенным содержанием CaO (более 12 %), что практически в 2 раза больше по сравнению с пробами № 1-3, а также наибольшим количеством Al 2 O 3 (≈8,7%). Заметим, что значительное количество оксида кальция (более 11 %) содержится также в пробе № 5. Большие потери массы образцов № 4 и 5 после прокаливания возможно являются следствием повышенного содержания в них карбоната кальция в сравнении с пробами № 1-3. Согласно данным таблицы 2, количественное содержание остальных оксидов не сильно меняется от вида пробы.
На рисунке 1 представлены данные рентгенофазового анализа пород. В ходе качественного анализа дифрактограмм, представленных на рисунке 1, было установлено, что в составе исследуемых образцов кремнистых пород идентифицированы минералы трех модификаций кремнезема (β-кварц, β-кристобалит, γ-тридимит), по одному минералу из группы карбонатов (кальцит), цеолитов (гейландит) и слюд (мусковит), а также аморфная фаза.

Рис. 1. РФА образцов кремнистых пород: 1-5 – номера составов (таблица 1).
Результаты количественного рентгенофазового анализа кремнистых пород (минералогический состав пород) приведены в таблице 3.
Минералогический состав пород
Таблица 3
№ состава |
Минералогический состав, % |
||||||
Кварц |
Кальцит |
Гейландит |
Мусковит |
Кристобалит |
Тридимит |
Аморфная фаза |
|
1 |
11,6 |
12,3 |
16,8 |
12,6 |
24,7 |
2,0 |
20,0 |
2 |
11,4 |
12,1 |
19,0 |
10,8 |
24,6 |
2,1 |
20,0 |
3 |
10,8 |
12,8 |
19,2 |
14,4 |
21,1 |
1,7 |
20,0 |
4 |
11,1 |
22,4 |
19,8 |
14,3 |
11,4 |
1,0 |
20,0 |
5 |
8,5 |
21,3 |
19,6 |
9,9 |
19,2 |
1,5 |
20,0 |
По результатам количественного рентгенофазового анализа пород, согласно данным таблицы 3, установлено, что основное отличие в минералогическом составе исследуемых трепелов связано с количественным содержанием кальцита и кристобалита. Пробы № 1-3 4
отличаются повышенным содержанием кристобалита (более 21,1%). Количество кальцита в составе пород не превышает 12,8 %. Содержание кальцита в трепелах составов № 4 и 5 больше 21,3%, а количество кристобалита уменьшается до 11,4 % (порода № 4). Содержание гейландита (минерал из группы цеолитов) для всех проб находится в пределах 16,8-19,8 %.
Результаты дифференциального термического (ДТА) и дифференциального термогравиметрического (ДТГ) анализов исследуемых кремнистых пород представлены на рисунке 2.
-
а) б)

Рис. 2. ДТА ( a ) и ДТГ ( б ) кривые кремнистых пород: 1-5 – номера составов (таблица 1).
По данным, представленным на рисунке 2, можно судить о следующих фазовых превращениях, происходящих в кремнистой породе при нагреве. Первый широкий пик в интервале температур от 25 до 120 °С (эндоэффект), независимо от вида породы, соответствует испарению несвязанной воды. Эндотермический эффект с максимумом при температуре ≈250 °C и незначительная потеря массы образцом на ДТГ-кривых соответствует дегидратации гейландита. На ДТА-кривых всех составов гейландиту также соответствует экзоэффект при температуре от 400 до 450 °C. Эффект сопровождается незначительными потерями массы образца. Сильный эндотермический эффект на кривых ДТА всех составов и значительная потеря массы образцов в интервале температур от 600 до 750 °C соответствуют наложению эффектов завершения процесса дегидратации гейландита, разложения карбоната кальция и дегидратации мусковита. Широкий экзотермический эффект с максимумом ≈900 °C (рис. 2, а) для всех образцов без потери массы соответствует кристаллизации силикатов и алюминатов кальция. Полученные данные о фазовых превращениях, происходящих в исследуемых кремнистых породах при нагреве, подтверждают результаты рентгенофазового анализа.
Имея данные химического и минералогического состава кремнистых пород Енгалычевского проявления Республики Мордовия, определим рациональные области их применения при получении строительных материалов.
В работе [3] установлено, что прочность цементно-песчаных композитов увеличивается более, чем на 35 % при замене 10 % портландцемента цеолитсодержащим трепелом. Химический и минералогический состав использованной в работе породы схож с испытанными нами трепелами составов № 1-3. О целесообразности использования цеолитсодержащих пород Республики Мордовия в качестве активных минеральных добавок для цементов, а также для обогащения клинкера основными окислами говорится также в работе [5].
На основе кремнистых пород с высоким содержанием кальцита получены гранулированные пеностеклокерамические материалы [2]. По ряду показателей полученные материалы превосходят пеностекло. Химический и минералогический состав пород, из которых были получены материалы практически совпадает с составами № 4 и 5. Особенности получения блочных пористых стеклокерамических материалов на основе кремнистых пород, схожих по составу с пробами № 1-3, описаны в работах [6]. Полученные материалы имеют среднюю плотность от 200 до 600 кг/м3, теплопроводность от 0,053 до 0,115 Вт/м∙°С, прочность при сжатии от 1,2 до 9,8 МПа, а также обладают повышенной стойкостью к агрессивным воздействиям биологических сред.
В результате проведенных исследований установлено, что основное отличие в химическом составе исследуемых трепелов связано с количественным содержанием SiO 2 и CaO. Количество SiO 2 в исследуемых пробах варьируется от 56,4 до 69,6 %, а количество CaO от 6,8 до 12,5 %. По фазовому составу породы отличаются в большей степени количественным содержанием кальцита и кристобалита. Содержание кальцита в породах варьируется от 12,1 до 22,4 %, а кристобалита от 11,4 до 24,7%. Содержание цеолита (гейландит) для всех проб находится в пределах 16,8 – 19,8 %. Подтверждена целесообразность использования цеолитсодержащего трепела Енгалычевского проявления Республики Мордовия в качестве сырья для получения строительных материалов. Запасы породы проявления составляют около 39 млн. м3. Данная цифра может быть значительно увеличена в случае проведения дополнительной геологоразведки.
Список литературы Рентгенофазовый и термический анализ цеолитсодержащих пород Енгалычевского проявления Республики Мордовия
- Баранова М. Н., Коренькова С. Ф., Чумаченко Н. Г. История освоения кремнистых пород // Строительные материалы. - 2011. - № 8. - С. 4-7. EDN: PFBNTL
- Kazantseva L. K., Lygina T. Z., Rashchenko S. V., Tsyplakov D. S. Preparation of Sound-Insulating Lightweight Ceramics from Aluminosilicate Rocks with High CaCO3 Content // Journal of the American Ceramic Society. - 2015. - Vol. 98(7). - P. 2047-2051. EDN: SEMHNW
- Ерофеев В. Т., Родин А. И., Бикбаев Р. Р., Пиксайкина А. А. Исследование свойств портландцементов с активной минеральной добавкой на основе трепела // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. - 2019. - № 3. - С. 7-17. EDN: XAGZYK
- Чернова Г. Р., Зоря В. П., Орехов С. Р. Отчет по поискам и поисково-оценочным работам на цеолиты в восточных районах Мордовии, выполненным Центральной ГГЭ в 1993-2002 гг. - Неклюдово, 2002. - 355 с.
- Селяев В. П., Ямашкин А. А., Куприяшкина Л. И., Неверов В. А., Селяев П. В. Минерально-сырьевая база строительной отрасли Мордовии: учеб. пособие. Ч. 2: Карбонатные и кремнийсодержащие породы. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2017. - 140 с. EDN: YORTRG
- Ерофеев В. Т., Родин А. И., Кравчук А. С., Казначеев С. В., Захарова Е. А. Биостойкие пеноситаллы на основе кремнеземсодержащих пород // Инженерно-строительный журнал. - 2018. - № 8(84). - С. 48-56. EDN: GEAFFM