凝灰?guī)r的簡(jiǎn)介及應(yīng)用

1、凝灰?guī)r簡(jiǎn)介及其開(kāi)發(fā)利用 凝灰?guī)r是一種分布最廣泛、最常見(jiàn)的細(xì)?；鹕剿樾紟r。碎屑主要表現(xiàn)為巖屑、晶屑、玻屑和火山灰，其碎屑粒徑一般小于 2.0mm。它是由火山爆發(fā)而拋入空中的火山物質(zhì)經(jīng)長(zhǎng)距離的搬運(yùn)，散落于盆地，再經(jīng)壓結(jié)和水化學(xué)膠結(jié)固結(jié)成巖。目前，凝灰?guī)r的研究還比較薄弱，凝灰?guī)r的開(kāi)發(fā)應(yīng)用在我國(guó)尚未引起重視，迄今還未形成產(chǎn)業(yè)。豐富的凝灰?guī)r資源如能得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用，它將成為一種新型和重要的非金屬礦產(chǎn)資源，不但在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要的作用，而且還大大有利于非金屬礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)與利用。1、地質(zhì)簡(jiǎn)況我國(guó)凝灰?guī)r主要分布于中國(guó)東部，尤其是東南沿海地區(qū)的中生代火山巖帶中，為環(huán)太平洋火山帶的一部分，主要產(chǎn)于上侏羅統(tǒng)南

2、園組、磨石山群,中白堊統(tǒng)帽石山群；華北板塊北緣中生代凝灰?guī)r分布也較為廣泛，巖層主要產(chǎn)于上侏羅統(tǒng)后城組、張家口組和下白堊統(tǒng)義縣組。我國(guó)凝灰?guī)r以酸性凝灰?guī)r為典型，以流紋質(zhì)和流紋英安質(zhì)為主，屬鈣堿性系列火山巖。2、凝炭巖物相及化學(xué)成分特征凝灰?guī)r具有凝灰或沉凝灰等結(jié)構(gòu)。巖石主要由晶屑、玻屑、巖屑、角礫和火山灰等火山物質(zhì)組成，晶玻屑常具多種形態(tài)，如火焰狀、雞骨狀、撕裂狀和弧面狀等。據(jù)計(jì)算,我國(guó)東南沿海含葉蠟石凝灰?guī)r建造的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物含量，主要由石英( Q)、鉀長(zhǎng)石(or)和鈉長(zhǎng)石(ab) 等礦物組成，其含量(%)分別為 38.55、27.39、22.63，三者之和一般大于90% ，另外還含有少量鈣長(zhǎng)

3、石，平均3.56%；其它礦物，尤其是鐵鎂礦物含量很少。此外，凝灰?guī)r常不同程度地伴生有沸石、蒙脫石、伊利石或高嶺石、埃洛石等蝕變礦物。由表1可知我國(guó)酸性凝灰?guī)r化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、K2O和Na2O，次要成分為CaO、MgO、SiO2、FeO和Fe2O3等。酸性凝灰?guī)r一般SiO2> 70%、Al2O3> 13%；通常K2O+ Na2O > 5% ，且一般K2O > Na2O；一般F e2O3> 0.7%、FeO>0.9%，且通常FeO > Fe2O3，二者之和一般< 3.80%； 其它成分均很低。由此可知酸性凝灰?guī)r化學(xué)成分具有高硅、富鋁

4、、豐堿和貧鐵等特征，屬鈣堿系列、鋁過(guò)飽和巖石。3、凝灰?guī)r物理化學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)凝灰?guī)r的物理化學(xué)性質(zhì)是開(kāi)發(fā)利用凝灰?guī)r的前提條件，筆者等人專題研究和綜合前人的研究成果，認(rèn)為我國(guó)凝灰?guī)r具有下列的一些物理化學(xué)特性：（1）化學(xué)成分特性如前所述，凝灰?guī)r具有高硅(一般>70%)、富鋁(>13%)、豐堿(鉀、鈉一般>5%)和低鐵(全鐵一般<3.8%)等，此外它還具有多種有益的微量元素和稀土元素，如對(duì)水稻增產(chǎn)有利的Mo、Zn、B等，礦物飼料添加劑的有益元素Cu、Mg、Zn等。（2）化學(xué)活性與火山灰質(zhì)材料、粉煤灰等的化學(xué)活性相類(lèi)似。將凝灰?guī)r磨細(xì)成粉，與石灰或石灰與石膏混合后，在常溫下發(fā)生化學(xué)作用

5、，生成具有凝膠性的水化物。具化學(xué)活性的混合材料，往往是在低溫和壓力驟然釋放條件下形成的固體非晶態(tài)物質(zhì)。在常溫下這些非晶態(tài)物質(zhì)不穩(wěn)定，極易向熵增加的方向轉(zhuǎn)化，而顯示出化學(xué)活性。凝灰?guī)r正是在這種條件下形成的，其物相包括了大量的非晶態(tài)的火山玻璃，從而顯示出異常高的化學(xué)活性。( 3) 多孔性凝灰?guī)r的孔隙度主要由粒內(nèi)和粒間兩類(lèi)孔隙組成。前者主要取決于火山碎屑自身的性質(zhì)、顆粒形狀、大小及其堆積方式、粒徑均一度、巖石的壓結(jié)和蝕變程度等因素，在承受一定壓力的自然狀態(tài)下，顆粒的剛性程度越高、形狀越復(fù)雜、粒度寬度越窄、粒徑越均一、堆積越松散、壓結(jié)程度越低,粒間孔隙度就越大；而后者主要有兩種成因，一種為火山氣孔，屬

6、原生孔隙，而另一種為淋濾孔，屬后生孔隙。原生火山氣孔形態(tài)較為規(guī)則，多呈空心球狀、橢球狀、弧面狀、盤(pán)狀及圓窩狀等結(jié)構(gòu)形態(tài)；而受淋濾作用形成的孔隙，以不規(guī)則柱狀和顆粒表面的蜂窩狀、網(wǎng)格狀孔隙居多，部分為侵蝕凹坑。凝灰?guī)r孔隙的大小、分布特征、比表面積以及其孔隙率、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)是當(dāng)前亟待研究的問(wèn)題。( 4) 膨脹性與珍珠巖相似，酸性的凝灰?guī)r玻璃質(zhì)在高溫瞬時(shí)灼燒下體積膨脹數(shù)倍至幾十倍。其膨脹主要是由于玻璃質(zhì)中的結(jié)合水，在高溫時(shí)汽化，使玻璃質(zhì)膨脹所致。決定膨脹倍數(shù) K ( V2/ V1) 的因素主要是有效含水量和適宜的加工粒度。參考珍珠巖實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，最佳膨脹效果的有效含水量一般為2%4%,加工粒度待

7、工業(yè)用途所需膨脹倍數(shù)而定，一般為-4目到+100為宜。由于不同酸性凝灰?guī)r具有不同的結(jié)合水和玻璃質(zhì)含量，故開(kāi)發(fā)應(yīng)用其膨脹特性時(shí)，應(yīng)選擇好適宜的原料，方能獲得最佳效果。( 5) 復(fù)礦性在自然界中，由于凝灰?guī)r的不穩(wěn)定性，使其容易發(fā)生蝕變，在水介質(zhì)中，經(jīng)水解脫玻，向沸石類(lèi)、蒙脫石類(lèi)礦物或高嶺土、埃洛石類(lèi)礦物轉(zhuǎn)化而發(fā)生礦化。部分蝕變的凝灰?guī)r往往包含有一種或幾種這類(lèi)蝕變礦物；如果巖層發(fā)生整體蝕變則會(huì)形成具工業(yè)意義的礦產(chǎn)，如我國(guó)東南沿海的含葉蠟石凝灰?guī)r建造，華北板塊北緣及東南沿海的含膨潤(rùn)土凝灰?guī)r建造等；一些凝灰?guī)r在沉積成巖過(guò)程中伴生一些外來(lái)礦物質(zhì)(包括有機(jī)質(zhì))，如炭質(zhì)凝灰?guī)r等，這就決定了凝灰?guī)r是一種天然的礦

8、物復(fù)合質(zhì)原料。凝灰?guī)r的這種性質(zhì)賦予其自身不具有的一些特殊性質(zhì)。如含蒙脫石水化流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r,其離子交換量(ECa9.68ml/100g，EMg2.21ml/100g，EK0.08ml/ 100g，ENa0.10ml/100g，CEC17.27ml/ 100g)，膠質(zhì)價(jià)(37ml/15g)，膨脹容(2.5ml/ g)，膨潤(rùn)質(zhì)(6ml/3g)，懸浮性能(950ml)，液限(34.1)，吸藍(lán)量(5.58g/100ml)等都要大于正常的凝灰?guī)r而小于膨潤(rùn)土，而且隨著凝灰?guī)r層層位的變化和蒙脫石含量的增減，凝灰?guī)r的這種離子交換性能和膨潤(rùn)性能也顯示出相應(yīng)的增減；由于凝灰?guī)r熔劑總量(即Fe2O3、TiO2、M

9、gO、CaO、Na2O、K2O等熔劑組分之和)一般為6% 13%，平均為9.5%，決定了其具有高的燒成收縮率和低的耐火度和燒結(jié)溫度等特征，對(duì)于含蒙脫石水化統(tǒng)紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r，由于具有高的熔劑總量(平均為 7%)，其線收縮率最高可達(dá)到24%，體積收縮率最高可達(dá)56%，而耐火度低于1400 ，燒結(jié)溫度范圍較窄為1160 1180。再如含伊利石凝灰?guī)r，其鉀來(lái)源于伊利石和凝灰?guī)r，故鉀的含量頗為可觀，可用于工業(yè)提鉀或作為混肥的有效組分之一。4、我國(guó)凝灰?guī)r的開(kāi)發(fā)利用及前景我國(guó)對(duì)于凝灰?guī)r的開(kāi)發(fā)利用研究尚還處在初級(jí)階段，這方面的成果尚不多見(jiàn)。由表2可知，當(dāng)前凝灰?guī)r的開(kāi)發(fā)研究主要集中在利用其化學(xué)成分特性、化學(xué)活性

10、、多孔性等物理化學(xué)特性方面，而膨脹性和復(fù)礦性等物化特性則鮮見(jiàn)開(kāi)發(fā)研究和報(bào)導(dǎo)。從凝灰?guī)r的一些有待開(kāi)發(fā)應(yīng)用方向來(lái)看，今后凝灰?guī)r將會(huì)在建材、農(nóng)業(yè)、精細(xì)化工、食品、環(huán)保等領(lǐng)域大有作為?？梢灶A(yù)料，隨著凝灰?guī)r開(kāi)發(fā)利用研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷地被拓展，其潛在的資源優(yōu)勢(shì)最終將得以發(fā)揮；再者，我國(guó)凝灰?guī)r層常和與其有成因關(guān)系的沸石、膨潤(rùn)土、高嶺土等蝕變礦床呈層狀、互層狀或夾層狀產(chǎn)出,在開(kāi)采這些蝕變礦產(chǎn)的同時(shí)如能回收或開(kāi)采與其相伴生的凝灰?guī)r，則無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)還是從資源可持續(xù)利用的角度考慮，都具有非常重要的意義。表 2 凝灰?guī)r開(kāi)發(fā)研究及應(yīng)用方向簡(jiǎn)表物理化學(xué)特性應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例開(kāi)發(fā)利用方向化學(xué)成分特性實(shí)例1:橡膠和塑料

11、的填充劑。以玻屑凝灰?guī)r為原料。將該巖粉碎加工后用作橡膠和塑料的填料,其加工性能、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均與輕質(zhì)碳酸鈣相當(dāng),可部分代替碳酸鈣和白炭黑,對(duì)降低成本有利,主要利用高硅等特性。表面改性,高檔工業(yè)填料,柔性磨料,人工合成硅灰?guī)r,白炭黑, 活性白土,復(fù)合肥、混肥填料或添加劑, 礦物飼料添加劑、補(bǔ)充劑,陶瓷配料, 高硅質(zhì)水泥等實(shí)例2:多元素復(fù)合肥。以中堿性凝灰?guī)r作為提供多種微量元素和稀土元素的載體。經(jīng)磨碎篩選,配以相應(yīng)比例的氮磷鉀肥,混合均勻,加水拌合,造粒、烘干即為成品。工藝簡(jiǎn)單,成本低,適于酸性土壤中種植農(nóng)作物使用。主要利用多微量元素和稀土元素,豐堿等特性。實(shí)例3:節(jié)堿型玻璃制造工藝與產(chǎn)品。富

12、堿粗面凝灰?guī)r為原料。以該巖為主要制玻原料,節(jié)堿效果明顯,操作范圍長(zhǎng),有利于玻璃的成型,提高產(chǎn)品質(zhì)量。該制造工藝主要用于制造瓶罐玻璃、日用玻璃、玻璃馬賽克和陶瓷。主要利用豐堿、高硅等特性。實(shí)例4: 合成集渣劑。以凝灰?guī)r (珍珠巖) 為組合成份之一。一種合成型集渣劑,特別適合于鑄鐵澆注時(shí)使用,這由凝灰?guī)r (珍珠巖)、石英玻璃和小蘇打組合而成,也可以再加入稻草灰,該集渣劑為顆粒狀,集渣成塊,無(wú)粉塵,不粘包,不掛渣,蓋于鐵包表面時(shí)長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)收縮,冷卻后成有脆性的玻璃體易以清除。實(shí)例5:火山凝灰?guī)r微晶玻璃。采用高硅富堿的火山凝灰?guī)r為主要原料研制成了以硅灰石為主晶相的微晶玻璃?；瘜W(xué)活性實(shí)例1 :人工合成

13、微孔硅酸鈣, 以玻屑凝灰?guī)r為原料。產(chǎn)品具有容重輕、強(qiáng)度高、線收縮率小、保溫性能好等特點(diǎn), 主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 產(chǎn)品成本低、附加值高, 比以往用硅藻土為原料的產(chǎn)品成本要低 1/ 4 1/ 3。還利用高硅等特性。污水澄清劑和凈化劑，水泥活性混合材, 高強(qiáng)砼活性外摻料, 發(fā)熱劑材料實(shí)例2:一種砷和重金屬?gòu)U水凈化劑, 提取利用炭質(zhì)凝灰?guī)r的活性炭。產(chǎn)品由鎂鋁葉綠礬和無(wú)定形炭以 1: 1 4 的重量比配合組成、產(chǎn)品中含一定量的活性 SiO2( 2% 8% ) 和無(wú)定形炭, 無(wú)定形炭為天然活性炭, 為無(wú)定形炭和少量巖屑所組成, 是由該巖經(jīng)水解作用形成, 主要利用游離 SiO2活性及復(fù)礦性。實(shí)例3:凝

14、灰?guī)r膨脹劑, 凝灰?guī)r, 是一種水泥、混凝土膨脹劑, 在制備混凝土或砂漿時(shí)摻入 10% 12% , 可制備補(bǔ)償收縮混凝土或砂漿, 獲得 0 03% 0 08% 的限制膨脹率, 提高抗裂防滲能力。凝灰?guī)r膨脹劑是由 46% 56% 的經(jīng)600 900 煅燒的凝灰?guī)r和 44% 54%的二水石膏, 共同粉磨而成的粉末。多孔性實(shí)例1 :涂料填料, 玻屑凝灰?guī)r, 可全部代替滑石粉和部分代替碳酸鈣, 做內(nèi)墻涂料填使用, 可大幅度降低生產(chǎn)成本, 主要利用輕質(zhì)疏松, 表觀 ( 色白) 等特性。通用助濾劑, 污水處理劑,催化劑載體, 吸收劑, 干燥劑,農(nóng) 藥、化肥載體或吸著劑, 硝酸氨球粒的防結(jié)塊劑,瓷盒, 輕骨料, 保溫材料等實(shí)例2: 食品助濾劑, 以玻屑凝灰以巖