黑曜岩的开发和利

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1、黑曜岩的开发和利用孙廷俭原武汉工业大学北京研究生部）黑耀岩，大都分布在我国火山岩地区。这种矿石呈黑色 或灰黑色，全玻璃质且有光泽，班状构造，俗称黑岩石，在 工业上统称珍珠岩。这种矿石由于人们很少接触和不常见， 所以，在开发利用的12 0余种非金属矿石资源中不见有黑曜岩。据资料报导；广东省的和平县水泥厂由于水渣紧缺， 便利用本地丰富的黑曜岩代替水渣作水泥混合材，取得了成 功的经验。他们用黑曜岩作水泥混合材，与高炉矿渣相比， 掺入等量后，不仅各龄期的强度都有提高，同时，成本也下 降了三分之一。黑曜岩这种矿石资源，从地质资料查明：除 了广东省有黑曜岩外，我国广西的溶县、福建的周宁以及淅 江、江苏等地

2、都产黑曜岩。黑曜岩的矿体大都在白恶纪的凝 灰岩及熔结凝灰角砾岩中。在辽宁省的建平县沙海镇，经省 地质勘探黑曜岩的储量仅上店、南洼、四节梁三处就有5 0 0万吨以上。此外，当地的膨润土、珍珠岩、陶土等非金属矿产资源也很丰富。当地的粘土由于含有多种非金属矿元 素，因此，粘土实心砖质量好，曾占据了省际边缘的大量市 场，与其他非金属矿产品加工一样，砖瓦生产成为当地经济 的一个重要组成部份。近年耒，烧砖取土制约了当地农业发展，全镇8座砖厂，关闭了 6座。面临严峻的市场形势，他 们依靠高新技术，大胆探索，用了一年多的时间研制，终于 用黑曜岩烧出了清水墙砖。这一创举，不仅使他们有了用黑 曜岩替代粘土烧砖的信

3、心，同时也推动了县镇的墙体材料改UN革。现在，他们把开发利用黑曜岩，作为镇的新的经济增长 点。本文主要以介绍黑曜岩烧制清水墙砖的半工业加工试验 基本情况，来展示开发利用黑曜岩这种矿石资源前景。一， 黑曜岩的形成及理化性能。黑曜岩与其类型的松脂岩、珍珠岩一样，都是火山喷发 出来的酸性熔岩。这种熔岩经急速冷却后便形成了玻璃质岩 石。是一种天然产的玻璃。性脆，莫氐硬度5一7。贝壳状 断口，具有玻璃光泽，碎片及薄的边缘部份透明至半透明， 全玻璃结构。密度为22一24（克/立方厘米）。耐火度1300_1380摄司度。在显微镜下可见含少量长石、石荚斑晶及极少量磁铁矿和黑云毋。含水率般小于2。沙海镇产的黑曜

4、岩化学成份如下：二氧化硅：674%、三氧化铝：1429%、三氧 化二铁：1.9%、二氧化钛：02 5%.氧化钙：1.0 9%、氧化钾：33%、氧化钠：416%。二， 黑曜岩烧制清水墙砖的半工业加工试验在完成了试验室的试验后，对黑进行了半工业试验；2 原材料配比：根据试验室配制的三种配料比，选用 了2号配比试样，进行半工业加工实验。先将呈黑 色的己粉细到小于2皿的黑曜岩（8 2%重量比） 和当地产的膨润土（1 一2呱18%重量比）混 合。其混合料的粒度级配如下：v1 0m7520%17一10価187 0%2.0_1.7m3 7 0%2 0 m240%22混合后的混合料塑性指数：910从混合料的粒

5、度级配和塑性指数可以看出坯体成型不 会困难，但考虑到膨润土的特性，对成型水份还是作了严 格控制和调整。23 膨润土的化学成份：二氧化硅：6 5 6 7%三氧化二铝：1470%三氧化二铁：168%氧化钙：218%氧化钠：025%24半工业加工试验:产品規格：240x1 15x53m直角六面体。型采用尺寸；253x121x59皿。砖坯大面两排共10个直圣12皿园孔，空心率v10）产品标准：国标 GB5101-1988 烧结普通砖工艺流程： 混料-给料*粉碎-碾压*仑储*输 送*加水搅拌-挤压成型f切条*切坯*输送*码坯*干燥 *烧成 *出窑 *成品捡测。原料加工：将粉碎好的黑曜岩粉料和膨润土，按比

6、例称 量好，用铲车进行予混。均匀后，再用铲车送入箱式给料机。 混合料由箱式给料机输送到细碎对辊机再进行一次粉细混 合，而后送入强力搅拌杌加水搅拌（接近成型水份比例）。 搅拌均匀的泥料，再送入轮碾机进行碾练。泥料经轮碾机的 碾练、捏和、均匀化等作用下，可有效的提高制砖泥料的质 量。辗压后的泥料由输送带送入储料仑困存、陈化（4 8 小时）。泥料经过储仓陈化，可使表面水份渗入泥料最小颗 粒外壳，使泥料所有塑性部份得到膨账，使泥料发生化学和 生物（细菌）变化，这时泥料会更加均匀，保证挤坯质量。成型工艺：虽然泥料塑性较好，但考虑到坯体受成型水 份形响；水份超过限度时挤出的泥条会软，会使坯体变形。 因此，

7、将试验室测定的成型水份作了适当的调整。调整后的 坯体型况很好，挤出的泥条比较理想。挤砖机为美制 75AD 。挤出时的工艺参数是；挤出压力： 真 空 度： 成型水份： 型口尺寸：1.4 MPa7 10mmHg149%（调整后的水份）252x122x59hm （孔洞率v10%）。干燥工艺： 由于黑曜岩亲水性差，砖坯干燥性能不强， 但砖坯干燥过程中并末出现过坯体裂纹、掉角、毛边等现 象。砖坯干燥很好。经测定干坯含水率为05%。坯体干 燥时工艺参数是；干燥温度：干燥周期：干燥车速：干坯尺寸： 干燥收缩率：118摄氏度。55 h25h/车248x1 20x5mm2.4%烧成工艺：泥料的钾、钠含量较高，烧

8、成温度较低，烧 成范围较窄。焙烧燃料由煤气发生炉供给煤 气，进行外燃。烧成时工艺参数如下；烧结温度：1 0 3 0摄司度烧成周期：7 2 5 h车速：25 h/车成品尺寸：240x1 1 3x5 3mm （孔洞率v1烧成收缩率：3.2%产品捡测： 经半工业加工试验的产品，送国家建筑材料测试中心捡测，其结果如下：试样名称：黑曜岩烧结承重空心饰面砖。捡测方法：GB/T 5105-1998体积密度：1 697kg/m3抗压强度：3 6 2 Mpa单块最小值：29.0Mpa石灰爆裂：v 1 0 mm泛霜：无泛霜。吸水率：79% （平均值）冻融： 经15次冻融试验，末出现裂纹、分层掉皮、缺棱、掉角等现象

9、。质量无损失，从石灰爆裂和泛霜 指标的测定，产品巳达优等品。经过半工业加工试验的烧结砖，产品边梭角整齐，砖体 六个面平整无损，砖体呈深红色。美观大方，作承重、饰面 砖，砌筑墙体，应该说是很理想的。用黑曜岩掺少量膨润土作粘结剂，生产烧结承重饰面 砖，经过半工业加工试验取得了成功。这是开发利用当地资 源替代粘土烧砖的好办法。符合国家产业政策和墙体材料改 革方向。它具有良好社会效益和经济效益。对需用墙体材料 大而又缺泛粘土资源的沙海镇来说，更有重大的现实意义；同时给类似资源的地区，提供了信息和成功的经验。用黑曜岩掺少量膨润土作胶结剂制作承重饰面砖。经有MN关专家评审以及国家建材工业局技术情报研究所“

10、查新”证 实：目前，在国内外，还没有捡索到有关黑曜岩烧结砖方面 探讨和研究的资料。也没有这方面的文献和成果。“查新”证实 了黑曜岩烧结承重饰面砖，在国内外尚属首例，它填补了我 国新型墙体材料的空白；也是辽宁省、朝阳市、建平县等， 重视开发利用黑曜岩的一项值得推广应用的省级科技成果。 有关黑曜岩烧结砖，半工业加工试验中的几个问题分述如 下；（1）黑曜岩这种材料，在1 3 0 0摄氏度的高温下， 体积可膨胀3倍以上。如果不超过这个温度线，其材质结构 上是稳定的。所以，它和膨润土（胶结料）均匀混合，控制 好烧成温度（不超过其膨账温度线），不仅是一种稳定的砖 体填充料；同时又能使砖体获得较高的强度。（

11、2）膨润土是一种以蒙脱石为主要成份的粘土岩（含 蒙脱石5 0%以上）。吸水性强，能吸收自身体积8一15 倍的水量。吸水后体积膨账数倍至30倍。其塑性指数、干 燥敏感性系数、干燥收缩等都很高，只要使用量适当，它作 为制砖原料的胶结剂，能有利于改善混合料的塑性。但掺量 过大（指含蒙脱石在混合料中占的比例）时就会产生负面影 响。国外一些学者研究为；在制砖粘土中，蒙脱石含量不超 过3%时是有益的。它能提高硬质粘土原料的塑性，使干坯 获得较高的抗压和抗折强度；而在石灰质的粘土制砖中，蒙 脱石还能提高砖体强度。研究还认为；在制砖粘土中，只有 当原料中含有大量细颗粒方解石时，蒙脱石的最高含量允许 达到10%

12、。否则，会引起坯体干燥裂纹，同时，由于坯体 在干燥后很快吸收空气中水份，而使坯体再膨账；并在窑中 快速干燥而产生不规则的网状裂纹。另外，蒙脱石含量过高 时，由于它的膨账性能，成型时需要很高的拌和水，由此带 来很大的干燥收缩。其次，蒙脱石含量高的粘土具有触变性， 它的混合料从表面看似乎是一般塑性泥料，但加工后便呈液 态流动，如果水份控制不好，给挤出成型带来相当大的困难， 甚至无法成型。基于上述，用黑曜岩为原材料，以膨润土作 胶结，制砖时应严格控制配料，使蒙脱石在混合料中的含量 保持在允许范国；混合料的颗粒应有足够的细度和级配，而 且保证混合均匀。在稳定配料前堤下调整合适的成型水份是 非常必要的。

13、（3）考虑到原材料及胶结料的特殊性。两种材料的含 水率都很低，为了达到混合料均匀，加工试验中采取了干混 方法；即两种原料分别进行粗、中、细碎。将达到细度要求 的干粉，由强力搅拌机搅拌均匀，而后按接近成型水份比例 加水搅拌，混合泥料搅拌均匀后送入轮碾机碾炼、再用细碎 对辊机粉细混均，然后再送入储料仑陈化（不少于 48 小时）。MN（4）黑曜岩在粉细后，其颗粒呈片状和纤维状，因此， 泥料通过挤出机过程中，片状微粒将沿绞刀的旋转方向定 向，往往在泥条内形成螺旋形纹理（螺旋纹），切成坯后， 在后步工序的干燥、焙烧时会产生无法祢补缺陷。如果生产 多孔砖或空心砖要比实心砖好一些。一是可使砖的单块重量 减轻

14、，二是竖孔空心砖抗压强度比同一泥料生产的实心砖要 高。这是因为竖孔空心砖，在机口中的泥料有显著改向变形， 增强了泥料微粒的定向作用，从而有效的降底了纹理指数MNTZ ）。实践证明，用黑曜岩作原材料生产多孔砖或空心砖、 地面砖都是非常适宜的。如果生产烧结劈离砖或是压花、喷 砂的饰面砖、各种规格的花色薄砖等，其效果会更佳。（5）用黑曜岩烧结砖的原材料，虽然经半工业加工试 验成功，但还未能获得全部的工业设计数据；例如，在稳定 配料的前堤下，确定最合适的成型水份和可允许的波动范围 以及如何在生产过程中采取措施严加控制；尤其对产品的烧 成温度的控制以及尽量减小窑体断面温差，保障产品烧成质 量等方面的数据

15、都不够完善；其次，在有条件的情况下还应 测定几种可以应用的配料及其烧结温度范围，以利进行焙烧 窑热工系统的设计和制定焙烧工作制度等，都是十分必要 的。三 开发利用黑曜岩MN用黑曜岩这种矿石资源替代粘土烧结普通砖，经半工业 加工试验，己取得成功的经验。但除了烧制各种砖类外，利 用这种矿产资源能否开发板材类的。或是利用黑曜岩自身 在一定温度作用下，能膨胀的特性，开发人造轻集料，比如说烧胀淘粒一类的产品等，其可能性如何。本文就此两种产UN品的试制作方法提出一些设想，以期黑曜岩这种矿产资源得 到充分利用和开发。（1）用黑曜岩制作高强度硅酸钙板： 高强度硅酸钙板，是以硅质材料和钙质材料经水化反应 合成，

16、并又以生成的托勃莫来石为主要结晶体，结合胶结料、 增强纤维而形成制品的高强度。硅酸钙板的硅质材料，大都 以石英粉、硅藻土、陶土或粉煤灰等。钙质材料，包括生石 灰、消石灰、电石渣和水泥等。从黑曜岩矿石中二氧化硅的 含量（一般在65一72% ）和三氧化二铝的含量（12.45 15.2% ）来看，黑曜岩作为硅质材料生产硅钙板是可行的。 根据硅酸钙板强度形成机理；即在常温常压下，黑曜岩中的 硅铝玻璃体水化活性很低，很难与氢氧化钙化合反应。既便 是制板初期，氢氧化钙胶粒形成的凝聚结构向晶体结构转化 时，这种结晶结构，也只是板坯蒸压养护前形成初期强度的 骨架而不能承受载力。但当板坯送入蒸压釜后，在高温高压

17、 作用下，黑曜岩微细颗轻表面二氧化硅和三氧化二铝与氢氧 化钙便会发生激烈反应，生成各种类型的水化硅酸钙结晶UN体，这时在增强纤维大量吸附氢氧化钙和其它水化产物情况 下，加速了板坯的水化合成，於是同增强纤维形成了一个共 同连生体，这时才真正具备了黑曜岩硅酸钙板的高强度。基 于这个机理，可以认为，用黑曜岩作原材料配以碱性激发剂 （生石灰类）和增强纡维（玻璃纤维或石棉等）经蒸压养护， 生产高强度的硅酸钙板是可能的。这里主要问题是如何处理 好黑曜岩的原料粉细问题。按照制板要求，原材料的技术条件是；制板颗粒应在180目以上。二氧化硅50%。二氧化 硅+三氧化二铝大于70%。三氧化硫v3%。烧失量v8%。

18、这些原材料技术条件，黑曜岩都具备；同时黑曜岩粉细后， 由于颗粒呈片或纤维状，在制板中又可起到自身纤维增强作 用而相应减少增强纡维的用量。基于上述，黑曜岩不仅可以生产硅酸钙板，同时用黑曜 岩作原材料还可以生产石棉吸音板、黑曜岩石膏板、成型壁 材、纤维壁材等等。（2）用黑曜岩制作烧胀陶粒：以轻集料砼替代普通砂石集料砼，是国内外普遍关住的 一种新型砼。由于它密度小、强度高、隔热、保温、耐火、 抗震性能好而得到了迅速发展。轻集料分为人工、天然和工 业废渣三个类型。根据黑曜岩自身可以膨胀的特性，又可以 制作人工骨料，即烧账型陶粒。按照成陶工艺，先将黑曜岩 磨成微细粉状颗粒，再掺配适量的膨润土（1一15%

19、重量比）和煤粉（0.5重量比）分别计量后，送入强力搅拌机拌合（搅 拌时可喷水雾湿润，达到成球程度，水份不大于 10% ）均匀。螺旋输送喂料。成球盘造球（直径8一10皿）。然后由皮带 输送机送入回转窑进行烧成。料球经回转窑的烘干、予热、 分解、烧胀和冷却后，便制成了烧胀型的高强度黑曜岩陶粒。 关于粘土烧胀的成淘机理；据国内外专家学者研究认为，烧 制陶粒的物料在膨胀温度下产生粘度和表面张力；与此同时 产生足够气体，物料在气体作用下得以膨账。就是说，陶粒 原料的膨胀性因其料球熔融体有一定粘度，并在烧熔时产生 挥发性气体，使料球膨账起来。料球熔融这个粘度又必须能 支撑住挥发气体，即由内向外的冲击时，外壳不被破坏，否 则，内部的气体外逸，或者表面张力太小又账不起来。所从， 陶粒原料的膨胀性能，是受化学成份、矿物组成、物理性能 和焙烧工艺等因素决定的。分析黑曜岩这种岩石的化学成份 及在一定温度下（1250 - 1300摄司度）自身膨胀（K3倍）的特性，生产烧胀陶粒应该说是可行的。