ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД- МЕРГЕЛЕЙ МУЙНАКСКОГО И ХОДЖАКУЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАРАКАЛПАКСТАНА

АННОТАЦИЯ

В статье изложены результаты исследования физико-химического и минералогического составов карбонатных пород Ходжакульского и Муйнаксого месторождений Каракалпакстана. Карбонатные породы состоят в основном из известковых и мергелистых минералов. Для исследования взято нескольких образцов двух месторождении, различавшихся по содержанию мергеля и карбонатно-глинистых частей. Из этих образцов были приготовлены шесть усредненные проб, подвергающие детальному исследованию. Оказалось, что исследуемые объекты отличаются по содержанию карбонатов кальция и магния, соединений кремнезема и глинозема.

Представлены результаты рентгенофазовые, термогравиметрические и ИК-спектроскопические анализы мергелей при различных температурах.

Анализ химического составов и физико-химических свойств карбонатных минералов позволяет выбрать рациональный способ получения из них готовых материалов. В данной работе приводятся результаты исследования некоторых мергелистых минералов Каракалпакстана с целью создания на их основе важных эффективных вяжущих строительных материалов.

ABSTRACT

The article presents research results of the physical-chemical and mineralogical compositions of carbonate rocks of the Khojakul and Muynak deposits of Karakalpakstan. Carbonate rocks mainly consist of calcareous and marl minerals. For the study, several samples of two deposits have been taken, differing in the content of marl and carbonate-clay parts. From these samples, six averaged samples have been prepared, which are subjected to a detailed study. It has turned out that the studied objects differ in the content of calcium and magnesium carbonates, silica and alumina compounds.

The results of X-ray phase, thermogravimetric and IR spectroscopic analyses of marls are presented at various temperatures.

The analysis of chemical compositions and physical-chemical properties of carbonate minerals allows choosing a rational way to obtain finished materials from them. This article deals with the results of the study of some marl minerals of Karakalpakstan in order to create important effective binding building materials on their basis.

Ключевые слова: вяжущие вещества, мергель, карбонаты, глина, термообработка, минерал, известь, спектр, анализ, кремнезем.

Keywords: binders; marl; carbonates; clay; heat treatment; mineral; lime; spectrum; analysis; silica.

Введение. В свете больших задач по обеспечению народного хозяйства эффективными и долговечными строительными материалами важное значение приобретает расширение ассортимента вяжущих, особенно с использованием местных сырьевых ресурсов. В результате многочисленных исследований в области гидратации и твердения минеральных вяжущих достигнуты значительные успехи. Однако многие вопросы, связанные с механизмом гидратации и создания прочности цементного камня, остаются не выясненными и не имеют однозначного решения. Поэтому широко ведутся исследования по поиску недефицитных природных ресурсов для создания новых, отвечающих требованиям современной строительной промышленности материалов.

Среди минерального сырья особо интересны карбонатные породы-известь и мергелистые минералы. Мергели – довольно широко распространенная порода, она может служить основой для получения местных вяжущих взамен относительно дорогого и не для всех районов доступного портландцемента. Особый интерес он может представить для Каракалпакии, где пользуются привозными цементами и другими строительными материалами [1, 2].

Анализ химического составов и физико-химических свойств карбонатных минералов позволяет выбрать рациональный способ получения местных вяжущих. Поэтому в данной работе приводятся результаты экспериментальные данные по исследованию различных вяжущих на основе карбонатных пород- мергели Муйнакского и Ходжакульского месторождения Республики Каракалпакстан с целью создания известково-белитовых вяжущих.

С развитием капитального строительства в Республике Узбекистан и Каракалпакстан наиболее остро встает проблема создания новых местных строительных материалов и изменения свойств, существующих композиции.

Республика Каракалпакстан богата природными минералами, служащими сырьевыми ресурсами - гипсом, ганчем, известняком, в том числе мергелями, которые представлены Муйнакским, Устюртским, Порлытауским, Ходжакульским и др. месторождениями, из которых месторождения Муйнак и Ходжакуль являются объектом исследовании в данной работе.

Карбонатно-глинистые породы, названные геологами мергелями, распространены на территории Муйнака Южного Приаралья Республики Каракалпакстан довольно широко. Особенность их составляет рыхлая, глиноподобная структура, темная, коричневатая, сероватая или голубоватая окраска, тонкий гранулометрический состав, довольно разнообразный химико-минералогический состав; распространение непосредственно на поверхности или под почвенным слоем в 0,1-0,5 м, мощность небольшая – от 0,4 до 2,1 м, иногда – до 5,0 – 10,0 м [3].

Химико-минералогический состав Муйнакских карбонатно-глинистых пород разведанных месторождений представляет собой смесь карбонатов кальция и магния, соединений кремнезема и глинозема (в виде глинистых частиц), некоторого количества сульфата кальция в виде гипса, небольшого количества растворимых солей серной и соляной кислот. Содержание карбонатов кальция и магния колеблется в широких пределах – от 8 до 84 % CaCO₃ и от 0 до 16 % MgCO₃. Значительны также колебания глинистых примесей – от 1 до 84 %.

Качественная характеристика карбонатно-глинистых пород Муйнак свидетельствует о возможности их использования для производства различных вяжущих строительных материалов.

Вопрос использования карбонатно-глинистых пород Муйнак для нужд промышленности строительных материалов и строительства практически еще не решен. Геологоразведочные работы, выявившие характер залегания, структур и химический состав пород, определили возможность использования карбонатно-глинистых отложений Муйнака для производства вяжущих материалов. Отмечено значительное разнообразие и химико-минералогическом составе по простиранию и мощности залегания пород различных месторождений.

Для практического использования принято несколько систем классификации. Нами используются технологическая классификация Кинда-Окорокова, как наиболее приемлемая для систематизации карбонатно глинистых пород Муйнака. Геологическим управлением определено выход и обнажений карбонатно-глинистых пород Муйнака. Установление их места в тройной диаграмме известкового - глинисто - магнезиальных пород позволяет судить о возможности технологического использования пород.

По классификации Кинда-Окорокова породы, относящиеся к известнякам, магнезиальным известнякам, известковым доломитам и доломитам, пригодны для производства воздушной извести: известковый мергель, магнезиально-глинистый известняк, магнезиально - известковый мергель, глинисто-известковый доломит и глинистый доломит могут быть использованы для производства гидравлической извести; мергель и магнезиальный мергель – для получения романцемента.

Месторождения Муйнак преобладают магнезиальные мергели, магнезиально-глинистые и глинистые мергели. Менее распространены магнезиально-известковая глина, известковая глина, мергель и магнезиально-известковый мергель.

Месторождение Ходжакуль расположено в 70 км к юго-востоку от г. Нукуса и 200-300 м от автомобильного шоссе. По запасам и доступности для использования оно наиболее перспективны. Продуктивная толщина сложена мергелями, песками, песчаниками и конгломератами верхнемелового возраста. Мергель залегает в форме пласта мощностью 0,5-2,5 м. и прослеживаются на площади 36 км² у подножья западной части Султануиздаг.

Месторождения Ходжакуль характеризуются следующим литологическим разрезом: мергель в верхних горизонтах коричневато-красного, красно-бурого цветов, крепкий, пористый, комковатый мощностью 0,3-2,5 м, с незначительными включениями гипса, но встречаются белые и светло-серые разновидности [4].

Объекты и методы исследование. Проведены химические (табл.1), рентгенофазовые (рис.1), термогравиметрические (рис.2), петрографические (рис.3.) и ИК-спектроскопические (рис.4) анализы мергелей.

Лабораторные химические исследования природных карбонатных и гипсовых минералов проведены по ГОСТ 5382-91 [5]. Результаты химического анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав образцов мергелей, %

Химическая и физико-химическая характеристика карбонатно-глинистых пород Республика Каракалпакстан свидетельствует о возможности их использования для производства различных вяжущих строительных материалов: воздушной извести, строительной извести, известково-белитового вяжущего, гидравлической извести и романцемента, в качестве основы вяжущих веществ различного назначения [6, 7].

Как видно из данных химического анализа, используемые в работе образцы относятся к известковому мергелю. Химико-минералогический состав мергелей представляет собой смесь карбонатов кальция и магния, соединений кремнезема, глинозема и гидроокиси железа в составе монтмориллонита, некоторого количества сульфата кальция в виде гипса, небольшого количества растворимых солей серной и соляной кислот.

Рисунок 1. Рентгенограммы природных мергелей месторождений Муйнак (1) и Ходжакуль (2)

Присутствие на рентгенограмме (рис. 1.) линий 0,303; 0,299 и 0,206 нм - подтверждает наличие кальцита, 0,227 и 0,186 нм - кварца 0,205; 0,157; 0,153 нм - глинистых минералов.

Дериватографический анализ (рис. 2.) показывает эндоэффект выделения физически связанной воды при 300^○С из мергеля Муйнакского месторождения, а при 365^○С - из мергеля Ходжакульского месторождения; при 550-600^○С выделяется кристаллизационная вода. Началу разложения карбонатной части мергеля соответствуют эндоэффекты при 660 и 665^○С.

Рисунок 2. Кривые ДТА, ТГ и ДТГ природных мергелей месторождении Муйнак (1) и Ходжакуль (2)

1                                                          2

Рисунок 3. Электронно микроскопически съемки природных мергелей месторождении Муйнак (1) и Ходжакуль (2), х20000 раз

На электронных микрофотографиях (рис. 3.) видно, что кальцит имеет вытянутую прямоугольную форму, чаще всего изометрического облика, образует сечение ромбовидного типа. Глинистые составляющие представлены хлопьевидными полупрозрачными частицами монтмориллонита размерами в 0,15 мкм, а также тонкими изометричными прозрачными пластинками каолинита с размерами частиц 0,15-0,2 мкм. Присутствует также единичная примесь точечных выделений гидроокиси железа.

Рисунок 4. ИК-спектры поглощения мергелей месторождении  Муйнак (1) и Ходжакуль (2)

ИК-спектры поглощения (рис. 4.) указывают на наличие в мергели полос поглощения 860-870 см^-1 (интенсивная узкая полоса) и 1420-1430 см^-1 (интенсивная широкая полоса), обусловленных колебаниями иона СО₃^2-, характеризующего присутствие карбоната кальция. Наличие гидроксильной группы характеризуется валентными колебаниями в области 2500-3600 см^-1, а в области 1250-1400 см^-1 - деформационными колебаниями. Полосы в области 1010-1015 см^-1 относятся к валентным колебаниям Si-О группы, а при 700 и 710 см^-1 - к деформационным колебаниям Al-O группы.

Таким образом, представленный исследования показывает, что химико-минералогические составы и физико-химические свойства мергелистых минералов месторождений: Муйнак и Ходжакуль свидетельствуют о возможности их использования в качестве основы для получения вяжущих веществ.

Список литературы:

1. Turemuratov Sh.N., Bekbosynova R.Zh., Abilova A.Zh., Khozhametova B.K., Sadikova A.M. Research hydration structure formation of high-temperature gypsum binders on the basis of Khujakul deposits // Web of Scientisi: International Scientific Research Journal. 2021. 12 Mar. - P. 20-31.
2. Turemuratov Sh.N., Kurbaniyazov S.K., Akeshova M.M. Physico-mechanical properties of lime ware binding materials affected by applied substances and undergone hydro -thermal treatment // Journal of Materials and Applications. – 2015 г. – P. 1179.
3. Кинд, В.А. Строительные материалы их получение, свойства и применение // В.А. Кинд, С.Д. Окороко. -JI-M.: OНТИ-Госстройдизат. -1934. -684 с.
4. О. Асаматдинов, А. Жиемуратов, Ф.Л. Гликель. Вяжущие на основе ганча Каракалпакии. - Ташкент, 1977. - С. 5-11.
5. ГОСТ 5382-91. Цементы и материалыцементного произиодства, методы химического анализа. Введ.1991-01-07. – М.: Госстрой СССР. Издательство стандартов, 1991, - 93 с.
6. Turemuratov Sh.N., Abilova A.J. Development of technology for producing cementitious composites based on gypsum minerals in Karakalpakstan // Босма “Austrian Journal of Technical and Natural Sciences” Iuly-August, №7-8, Vienna 2019, – P. 50-54.
7. Turemuratov Sh.N., Abilova A.J. Study of the processes of hydration structure formation in lime-belite binders on the basis of marls of the Republic of Karakalpakstan // “Austrian Journal of Technical and Natural Sciences” Iuly-August, №7-8, Vienna 2019, – P. 45-49.