凝灰岩的物理化学性质及其开发利用

1、凝灰岩的物理化学性质及其开发利用 木士春(中国科学院长沙大地构造研究所·长沙 410013)摘 要 凝灰岩是一种可预见的新型非金属矿产资源 。本文首先研究和探讨了凝灰岩的一些重要的物理化学特性 , 以作为凝灰岩开发应用的理论依据 , 然后报导了当前的一些开发应用实例 , 指出凝灰岩 可进一步开发应用的方向 。关键词 凝灰岩 非金属矿物材料 物理化学特性P HYSICAL A ND C HEM ICAL FEATURES OF TUFF A NDITS D EVELOPM ENT A ND APPL ICATIO NMu Shichun( Changsha Instiute of Ge

2、otecto nics , Academia Sinica)Abstract : The t uff is a kind of p redictable and new2t ype no nmetallic minerals resource. So me important p hysical and chemical feat ures are st udied and discussed in t his paper , as t heoretical bases for develop ment and applicatio n of t uff . Af ter t hat , so

3、 me examples of t he develop ment and applicatio n of t he t uff are reported , o nt he basis of which , it s applied t rends are pointed out too .Key words : Tuff , No nmetallic mineral materials ,Physical and chemical feat ures凝灰岩是一种分布最广泛 、最常见的细粒火山岩 。碎屑主要表现为岩屑 、晶屑 、玻屑和火山 其碎屑粒径一般小于 210 mm 。它是由火山爆 抛

4、入空中的火山物质经长距离的搬运 , 散落于, 再经压结和水化学胶结固结成岩 。目前 , 凝 的研究还比较薄弱 , 凝灰岩的开发应用在我国引起重视 , 迄今还未形成产业 。丰富的凝灰岩 如能得到开发应用 , 它将成为一种新型和重要 金属矿产资源 , 不但在国民经济中发挥重要的, 而且还大大有利于非金属矿产资源的可持续 与利用 。国仅有零星分布 , 如湘北凝灰岩 , 产于第四系下更新统 。我国凝灰岩以酸性凝灰岩最为典型 , 多以流 纹质和流纹英安质为主 , 属钙碱性系列火山岩 。2凝炭岩物相及化学成分特征凝灰岩具有凝灰或沉凝灰等结构 。岩石主要由 晶屑 、玻屑 、岩屑 、角砾和火山灰 等 火 山

5、物 质 组 成 , 晶玻屑常具多种形态 , 如火焰状 、鸡骨状 、撕 裂状和弧面状等 。据计算1, 我国东南沿海 含 叶 蜡石凝灰岩建造的 C IPW 标准矿物含量 , 主要由石 英 ( Q) 、钾 长 石 (o r ) 和 钠 长 石 ( ab) 等 矿 物 组 成 , 其 含 量 ( %) 分 别 为 38155 、27139 、22163 , 三者之和一般大于 90 % , 另外还含有少量钙长石 , 平均 3156 % ; 其它矿物 , 尤其是铁镁矿物含量很 少 。此外 , 凝灰岩常不同程度地伴生有沸石 、蒙脱 石 、伊利石或高岭石 、埃洛石等蚀变矿物 。由表 1 可知我国酸性凝灰岩化学

6、成分主要为地质简况我国凝灰岩主要分布于中国东部 ,尤其是东南地区的中生代火山岩带中 , 为环太平洋火山带部分 , 主要产于上侏罗统南园组 、磨石山群 ,垩统帽石山群 ; 华北板块北缘中生代凝灰岩分 较为广泛 , 岩层主要产于上侏罗统后城组 、张组和下白垩统义县组 ; 新生代酸性凝灰岩在我SiO2 、Al2 O3 、K2 O 和 Na2 O 等 , 次要成分为 CaO 、基金来源 : 湖南省 “95”科技发展计划项目 ( 湘计科研成果 1998 - 750 - 14) 资助别 > 017 %和 > 019 % , 且 FeO 通常 > Fe2 O3 , 二者之和一般 <

7、3180 % ; 其它成分均很低 。由此可知酸 性凝灰岩化学成分具有高硅 、富铝 、丰碱和贫铁等特征 , 属钙碱系列 、铝过饱和岩石 。MgO 、SiO2 、FeO 和 Fe2 O3 等 。酸性凝灰岩 SiO2 、Al2 O3 一般分别 > 70 %和 > 13 % ; K2 O + Na2 O 通常> 5 % ,且 K2 O 一般 > Na2 O ;Fe2 O3 、FeO 一般分表 1 我国部分酸性凝灰岩的化学成分 ( %)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2Na2OK2O产地地层岩性FeOMnOMgOCaOP浙东271129701027111571188731357

8、118769149751447614614172141541511314173141081415713189111651410411491138118911731114112501790196016211512124114311941175118001921178010360135014501360133013501400117013201140107010701080107010601070107018901880177016101720171015601040170114021231111018201441173011701560170315531663183217021623101111

9、941150197416841334196511141404142410831852160磨石山群凝灰岩晶屑熔结凝灰岩 熔结凝灰岩 凝灰岩 晶屑凝灰岩 晶屑熔结凝灰岩 玻屑凝灰岩 含砾凝灰岩熔结凝灰岩 ( 已硅化)0000000西山头组闽西2南元组湘北2第四系下更新统凌源热水汤4 建品组宁城二龙401011义县组03凝灰岩物理化学性质充分认识凝灰岩的物理化学性质是开发利用凝 灰岩的前提条件 , 由于对其开发利用价值认识不够 , 我国在这方面的研究成果还比较少 。笔者等人越窄 、粒径越均一 、堆积越松散 、压结程度越低 ,粒间孔隙度就越大 ; 而后者主要有两种成因 , 一种 为火山气孔 , 属原

10、生孔隙 , 而另一种为淋滤孔 , 属后生孔隙 。原生火山气孔形态较为规则 , 多呈空心球状 、椭球状 、弧面状 、盘状及圆 窝 状 等 结 构 形 态 ; 而受淋滤作用形成的孔隙 , 以不规则柱状和颗 粒表面的蜂窝状 、网格状孔隙居多 , 部分为侵蚀凹坑 。凝灰岩孔隙的大小 、分布特征 、比表面积以及 其孔隙率 、吸水率 、导热系数是当前亟待研究的问 题 。笔者等人对湘北玻屑凝灰岩的孔隙研究表明 , 其孔隙度为 46114 % 67149 % , 平均为 55146 % , 干容重略小于 1100g/ cm3 , 粒内孔隙多以淋滤孔为主 , 孔径一般为 0102115 ×10 - 6

11、 m 平均为 0138 ×10 - 6 m 。这说明在原生孔隙较为缺乏的情况下 , 后 期地质改造作用 (如淋滤 、水化作用等) 对凝灰岩 的成孔是非常重要的 。(4) 膨胀性与珍珠岩相似 , 酸性的凝灰岩玻璃质在高温瞬 时灼烧下体积膨胀数倍至几十倍 。其膨胀主要是由 于玻璃质中的结合水 , 在高温时汽化 , 使玻璃质膨胀所致 。决定膨胀倍数 K ( V2 / V1 ) 的因素主要是 “有效含水量”和适宜的加工粒度 。参考珍珠岩实通过近期专题研究和综合前人的研究成果 ,国凝灰岩可具有下列的一些物理化学特性 : (1) 化学成分特性认为我如前 所 述 , 凝 灰 岩 具 有 高 硅 (

12、 一 般 > 70 %) 、富铝 ( > 13 %) 、丰碱 (钾 、钠一般 > 5 %) 和低铁 (全铁一般 < 318 %) 等 , 此外它还具有多种有益的 微量元素和稀土元素 , 如对水稻增产有利的 Mo 、Zn 、B 等5, 矿 物 饲 料 添 加 剂 的 有 益 元 素Mg 、Zn 等6。(2) 化学活性与火山灰质材料 、粉煤灰等的 化 学 活 性 相 类 似 。将凝灰岩磨细成粉 , 与石灰或石灰与石膏混合 后 , 在常温下发生化学作用 , 生成具有凝胶性的水化物 。具化学活性的混合材料 , 往往是在低温和压 力骤然释放条件下形成的固体非晶态物质 。在常温 下

13、这些非晶态物质不稳定 , 极易向熵增加的方向转 化 , 而显示出化学活性 。凝灰岩正是在这种条件下 形成的 , 其物相包括了大量的非晶态的火山玻璃 ,从而显示出异常高的化学活性 。 (3) 多孔性 凝灰岩的孔隙度主要由粒内和粒间两类孔隙组Cu 、验研究 结 果7, 最 佳 膨 胀 效 果 的 “有 效 含 水 量 ”一般为 2 % 4 % , 加工粒度待工业用途所需膨胀倍数而定 , 一般为 - 4 目到 + 100 为宜 , 笔者对湘(5) 复矿性在自然界中 , 由于凝灰岩的不稳定性 , 使其容 生蚀变 , 在水介质中 , 经水 解 脱 玻 , 向 沸 石蒙脱石类矿物或高岭土 、埃洛石类矿物转

14、化而 矿化 。部分蚀变的凝灰岩往往包含有一种或几 类蚀变矿物 ; 如果岩层发生整体蚀变则会形成 业意义的矿产 , 如我国东南沿海的含叶蜡石凝其离子交换量 ( ECa 9168 ml/ 100g , EMg 2121 ml/100g , E K 0108 ml/ 100g , ENa 0110 ml/ 100g , C EC17127 ml/ 100g) ,胶 质 价 ( 37 ml/ 15g ) , 膨 胀 容( 215 ml/ g ) , 膨 润 质 ( 6 ml/ 3g ) , 悬 浮 性 能(950 ml) , 液 限 ( 3411 ) , 吸 蓝 量 ( 5158g/ 100 ml )

15、 等都要大于正常的凝灰岩而小于膨润土 , 而且随着 凝灰岩层层位的变化和蒙脱石含量的增减 , 凝灰岩 的这种离子交换性能和膨润性能也显示出相应的增建造2 ,8,华北板块北缘及东南沿海的含膨润灰岩建造4等 ; 一些凝灰岩在沉积成岩过程生一些外来矿物质 ( 包括有机质) , 如炭质凝 等 。这就决定了凝灰岩是一种天然的矿物复合 料 。凝灰岩的这种性质赋予其自身不具有的一 殊性质 。如含蒙脱石水化流纹质玻屑凝灰岩 ,减 ; 由 于 凝 灰 岩 熔 剂 总 量 ( 即 Fe2 O3 、 TiO2 、MgO 、CaO 、Na2 O 、 K2 O 等 “熔 剂 ” 组 分 之 和 )一般为 6 %13 %

16、 , 平均为 915 % , 决定了其具有 高的烧成收缩率和低的耐火度和烧结温度等特征 , 对于含蒙脱石水化统纹质玻屑凝灰岩 , 由于具有高表 2 凝灰岩开发研究及应用方向简表理化学特性应用开发实例开发利用方向实例 1 3 : 橡胶和塑料的填充剂 。以玻屑凝灰岩为原料 。将该岩粉碎加工后用作橡胶和塑料的填料 , 其加工性能 、拉伸强度 、伸长率均与轻质碳酸钙相当 , 可部分代替碳酸钙和白炭黑 , 对降低成本有利 , 主要利用高硅等特性 。实例 29: 多元素复合肥 。以中碱性凝灰岩作为提供多种微量元素和稀土元素的载体 。 经磨碎筛选 , 配以相应比例的氮磷钾肥 , 混合均匀 , 加水拌合 ,

17、造粒 、烘干即为成品 。工艺 简单 , 成本低 , 适于酸性土壤中种植农作物使用 。主要利用多微量元素和稀土元素 , 丰碱等 特性 。实例 310: 节碱型玻璃制造工艺与产品 。富碱粗面凝灰岩为原料 。以该岩为主要制玻原 料 , 节碱效果明显 , 操作范围长 , 有利于玻璃的成型 , 提高产品质量 。该制造工艺主要用于 制造瓶罐玻璃 、日用玻璃 、玻璃马赛克和陶瓷 。主要利用丰碱 、高硅等特性 。实例 411: 合成集渣剂 。以凝灰岩 ( 珍珠岩) 为组合成份之一 。一种合成型集渣剂 , 特 别适合于铸铁浇注时使用 , 这由凝灰岩 ( 珍珠岩) 、石英玻璃和小苏打组合而成 , 也可以再加 入稻

18、草灰 , 该集渣剂为颗粒状 , 集渣成块 , 无粉尘 , 不粘包 , 不挂渣 , 盖于铁包表面时长时 间也不会收缩 , 冷却后成有脆性的玻璃体易以清除 。实例 512: 火山凝灰岩微晶玻璃 。采用高硅富碱的火山凝灰岩为主要原料研制成了以2 硅灰石为主晶相的微晶玻璃 。高 CaO 含量玻璃核化 、晶化后整体均匀结晶成为乳白色或浅黄 色微晶化制品 ; 低 CaO 含玻璃烧结 、晶化后成为花纹清晰的微晶玻璃大理石 。高 CaO 含量玻 璃由于 CaO 含量高 , 热处理时严重分相 , 分相有利于玻璃整体均匀析晶 ; 低 CaO 含量玻璃在 大量析晶之前基本烧结 , 由于表面效应在玻璃颗粒表面诱发2硅

19、灰石晶体 , 并由表及里长大 为针状晶体表 面 改 性 , 高 档 工业填料 , 柔性磨料 ,人 工 合 成 硅 灰 岩 ,白炭黑 , 活性白土 ,复 合 肥 、混 肥 填 料或 添 加 剂 , 矿 物 饲料添加剂 、补充剂 ,陶 瓷 配 料 , 高 硅 质水泥等 。学成分特性实例 1 3 : 人工合成微孔硅酸钙 , 以玻屑凝灰岩为原料 。产品具有容重轻 、强度高 、线收缩率小 、保温性能好等特点 , 主要技术指标达到国家标准 , 产品成本低 、附加值高 , 比以往用硅藻土为原料的产品成本要低 1/ 41/ 3 。还利用高硅等特性 。实例 23: 一种砷和重金属废水净化剂 , 提取利用炭质凝灰

20、岩的活性炭 。产品由镁铝叶 绿矾和无定形炭以 1 : 14 的重量比配合组成 、产品中含一定量的活性 SiO2 ( 2 %8 %) 和 无定形炭 , 无定形炭为天然活性炭 , 为无定形炭和少量岩屑所组成 , 是由该岩经水解作用形 成 , 主要利用游离 SiO2 活性及复矿性 。实例 34: 凝灰岩膨胀剂 , 凝灰岩 , 是一种水泥 、混凝土膨胀剂 , 在制备混凝土或砂浆 时掺入 10 %12 % , 可制备补偿收缩混凝土或砂浆 , 获得 0103 %0108 %的限制膨胀率 , 提 高抗裂防渗能力 。凝灰岩膨胀剂是由 46 %56 %的经 600900 煅烧的凝灰岩和 44 %54 % 的二水

21、石膏 , 共同粉磨而成的粉末 。污 水 澄 清 剂 和 净 化剂 , 水 泥 活 性 混 合材 , 高 强 砼 活 性 外掺料 , 发热剂材料 。学活性实例 1 3 : 涂料填料 , 玻屑凝灰岩 , 可全部代替滑石粉和部分代替碳酸钙 , 做内墙涂料填使用 , 可大幅度降低生产成本 , 主要利用轻质疏松 , 表观 ( 色白) 等特性 。实例 215: 食品助滤剂 , 以玻屑凝灰以岩为主要原料 , 较好地解决了原料煅烧膨化 、孔 径优化 、强度改善和粒级搭配等技术难题 , 研制出各种技术指标均符合国家标准的不同型号 的凝灰岩助滤剂系列产品 , 与现有技术相比 , 具有性能优良 , 过滤效果好 ;

22、资源丰富 , 原料 价格便宜 ; 工艺简单 , 生产成本低廉 ; 质量稳定 , 能有效实现产品的系列化等优点 , 具有较 好的开发应用前景 。通 用 助 滤 剂 , 污 水处 理 剂 , 催 化 剂 载体 , 吸 收 剂 , 干 燥剂 , 农 药 、化 肥 载体 或 吸 着 剂 , 硝 酸氨球粒的防结块剂 ,瓷 盒 , 轻 骨 料 , 保温材料等 。孔性有待开发研究助 滤 剂 , 轻 骨 料 ,保温 、轻质材料等 。胀性矿性实例 1 : 与 “化学活性”实例 2 相同 。有待开发研究离子交换剂等 。常德市非金属矿产开发战略研讨会论文汇编 , 常德市地质矿产冶金煤炭局内部资料 , 1996的熔剂

23、总量 ( 平均为 7 %) , 其线收缩率最高可达到 24 % , 体积收缩率最高可达 56 % , 而耐火度低 于 1400 , 烧 结 温 度 范 围 较 窄 为 1160 1180 。再如含伊利石凝灰岩 , 其钾来源于伊利石和凝灰 岩 , 故钾的含量颇为可观 , 可用于工业提钾或作为 混肥的有效组分之一 。凝灰岩其它的一些物化性质如力学性能 、粒度 效应等尚待研究 。所选择的凝灰岩以哪些物理化学 性质为主 , 则取决于其所属凝灰岩的种类 、成岩条件及后期的地质改造等多种因素 。4 我国凝灰岩的开发利用及前景我国对于凝灰岩的开发利用研究尚还处在初级 阶段 , 这方面的成果报导尚不多见 。由

24、表 2 可知 , 当前凝灰岩的开发研究主要集中在利用其化学成分特性 、化学活性 、多孔性等物理化学特性方面 , 而 膨胀性和复矿性等物化特性则鲜见开发研究和报 导 。从凝灰岩的一些有待开发应用方向来看 , 今后 凝灰岩将会在建材 、农业 、精细化工 、食品 、环保 等行业和领域大有作为 。可以预料 , 随着凝灰岩开发利用研究的深入 , 其应用领域将会不断地被拓 展 , 其潜在的资源优势最终将得以发挥 ; 再者 , 我 国凝灰岩层常和与其有成因关系的沸石 、膨润土 、 高岭土等蚀变矿床呈层状 、互层状或夹层状产出 , 在开采这些蚀变矿产的同时如能回收或开采与其相伴生的凝灰岩 , 则无论是从经济还

25、是从资源可持续 利用的角度考虑 , 都具有非常重要的意义 。参考文献工业大学出版社 , 1999姚道坤 、史素端等编著 , 中国膨润土矿床及其开发应用 , 北 京 : 地质出版社 , 1994顾金秋 , 微量元素提高水稻产量应用试验研究 , 浙江地 质, 1998 , 14 ( 1) : 8189郑艮云 、邱 基 洪 , 奶 牛 饲 料 使 用 天 然 矿 物 添 加 剂 的 研 究 ,浙江地质, 1995 , 11 ( 2) : 7175严荣荫 , 珍珠岩 , 见 : 陶维屏主编 , 中国工业矿物和岩石 , 北京 : 地质出版社 , 1987 , 166179 陶维屏 、高锡芬 、孙祁等 ,

26、 中国非金属矿床成矿系列矿床 , 含矿建造 成矿系列 形成 模式 , 北京 : 地质出版社 , 1994 ,166179沈 权 , 多 元 素 高 效 复 合 肥 , 国 家 发 明 专 利 , 申 请 号 :93120256 , 公开号 : CN1089592蒋旭 、李协广等 , 玻璃制造工艺及产品 , 国家发明专利 ,申请号 : 89109381 , 公开号 : CN1052467李新合 , 合成集渣剂 , 国家发明专利 , 申请号 : 92105897 ,公开号 : CN1081130余海湖 , 火山凝灰岩微晶玻璃 , 武汉工业大学报, 1997 ,19 ( 4) : 3640张明鉴 , 一种砷和重金属废水净