ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ДУШШЫБУЛАКСКОГО БАЗАЛЬТА ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УДК 666.193.2+691.212

Аннотация

В представленной научной работе изложены результаты исследования образцов базальта Душшыбулакского месторождения, расположенного на территории Республики Каракалпакстан. Основной целью исследования являлось комплексное изучение физико-химических, минералогических и структурных характеристик природного сырья, а также оценка возможностей его дальнейшего практического применения. В ходе работы был определён химический состав образцов, установлено содержание основных оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния и других компонентов. Особое внимание уделено выявлению минеральных фаз, формирующих структуру базальта и определяющих его эксплуатационные свойства. Для уточнения фазового состава материала проведён рентгенофазовый анализ, позволивший идентифицировать основные кристаллические соединения и оценить степень их распространённости. Полученные результаты свидетельствуют о характерных особенностях исследуемого базальта, его неоднородной минеральной структуре и устойчивом химическом составе. Проведённое исследование создаёт научную основу для оценки качества сырья и обоснования перспектив его использования в производстве строительных материалов, теплоизоляционных изделий, минерального волокна и других востребованных промышленных продуктов. Кроме того, результаты анализа могут быть использованы при разработке эффективных технологических режимов переработки местного промышленного минерального сырья региона.

Abstract

This scientific paper presents the results of a study of basalt samples from the Dushshibulak deposit, located in the Republic of Karakalpakstan. The main purpose of the research was to comprehensively investigate the physicochemical, mineralogical, and structural properties of the natural raw material, as well as to assess its potential for practical application. During the study, the chemical composition of the samples was determined, including the contents of silicon, aluminum, iron, calcium, magnesium, and other major oxides. Particular attention was paid to identifying the mineral phases that form the basalt structure and influence its performance characteristics. X-ray phase analysis was conducted to determine the phase composition of the material, identify the main crystalline compounds, and evaluate their distribution. The obtained results revealed the specific characteristics of the studied basalt, its heterogeneous mineral structure, and stable chemical composition. The research provides a scientific basis for assessing raw-material quality and justifying its use in construction materials, thermal insulation products, mineral fibers, and other industrial applications.

Ключевые слова: базальт; минералогический состав; рентгенофазовый анализ; физико-химические свойства; прочность.

Keywords: basalt; mineralogical composition; X-ray phase analysis; physicochemical properties; strength.

Введение

В последние годы в связи с интенсивным развитием строительной отрасли значительно возрастает потребность в эффективных и качественных строительных материалах. В этом направлении особое внимание уделяется изучению местных минеральных ресурсов и расширению возможностей их промышленного применения. Среди перспективных видов сырья важное место занимают магматические горные породы, в частности базальты, обладающие высокими физико-механическими показателями и устойчивостью к внешним воздействиям [1,2].

На территории Республики Каракалпакстан в результате геологоразведочных работ выявлены значительные запасы нерудных полезных ископаемых, пригодных для использования в строительной индустрии. К числу таких природных ресурсов относятся базальт, диабаз, диатомит, гранитные отходы и вермикулит. Особый интерес представляет базальт Душшыбулакского месторождения, расположенного в Караузякском районе Республики Каракалпакстан. По данным геологических исследований, запасы месторождения составляют около 2,6 млн тонн, что свидетельствует о возможности его длительного промышленного освоения.

Базальт является магматической породой, характеризующейся высокой прочностью, плотностью и термической устойчивостью. Благодаря своим свойствам он может применяться при производстве различных строительных материалов и изделий. Для определения возможностей практического использования базальтовых пород необходимо детальное изучение их химического состава, минералогических особенностей и физико-механических характеристик [5,6].

Экспериментально установлено, что предельно допустимое содержание SiO₂ в базальтовых породах составляет 43,7–49,3 %, что считается оптимальным при выборе состава сырья. При таких показателях базальты Душшыбулакского месторождения подходят для производства теплоизоляционных волокнистых материалов, так как их температура плавления составляет 1350–1400 °C. Согласно табличным данным, в отличие от базальтов, применяемых для изготовления изоляторов различного назначения, для производства теплоизоляционных волокон требуются породы с содержанием (%): SiO₂ – 43–47, MgO – до 7, Al₂O₃ – до 20, CaO – до 10 и (K₂O + Na₂O) – не более 3,5.

Целью настоящего исследования является изучение химико-минералогического состава и физико-механических свойств базальтов Душшыбулакского месторождения, а также оценка возможности их использования в производстве теплоизоляционных строительных материалов.

Материалы и методы

Для изучения вещественного и минералогического состава сырья, процесса обжига, фазовых превращений и микроструктуры образцов теплоизоляционных материалов применялись химический анализ, рентгенографические исследования, физико-механические испытания и методы электронно-микроскопического анализ.

Химический анализ сырьевых материалов и опытных образцов проводился по стандартной силикатно-аналитической методике, обусловленной ГОСТ 26423-85 [3,4].

Минералогический состав образцов определяли с помощью рентгенофазового анализа, который проводился порошковым методом на рентгеновском дифрактометре Shimadzu LABX XRD-6100 при СuKα - излучении. Съемку рентгенограмм осуществляли с шагом 0,02, режим тока и напряжения трубки 30 mA, 30 kV. Идентификация минеральных фаз и анализ результатов производился с использованием справочников и общепринятых базы данных ICDD PDF-2 [7,8].

Результаты и обсуждение

В данной работе для оценки пригодности базальтовых пород в производстве теплоизоляционных материалов проведён анализ их химического состава. Установлено, что исследуемые образцы характеризуются оптимальным соотношением основных оксидов, что соответствует требованиям к сырью для получения теплоизоляционных волокнистых материалов.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования базальтов Душшыбулакского месторождения в качестве сырья для производства эффективных теплоизоляционных материалов.

Таблица 1. Химический состав образцов базальта Душшыбулакского месторождений

При рентгенофазовом анализе некальцинированного базальта Душшыбулаксого месторождения были получены данные, представленные на рисунке 1. На рентгенограмме образца базальтовых пород наблюдаются дифракционные отражения, соответствующие основным минералам: кварцу (SiO₂), хлориту ((Mg,Fe)₃(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂), альбиту (Na[AlSi₃O₈]), а также в незначительном количестве кальциту (CaCO₃)

Рисунок 1. Рентгенограмма базальта Душшыбулаксого месторождение

Для кварца характерны межплоскостные расстояния d = 0,424; 0,333; 0,245; 0,228; 0,223; 0,212; 0,197; 0,181; 0,166; 0,153; 0,137 нм. Минерал хлорит идентифицирован по значениям d = 0,713; 0,496; 0,424; 0,365; 0,352; 0,296; 0,255; 0,228; 0,197 нм. Для альбита установлены значения d = 0,636; 0,352; 0,318; 0,310; 0,259; 0,212 нм. Наличие кальцита подтверждается межплоскостными расстояниями d = 0,385; 0,302; 0,228 нм[9,10].

Полученные результаты рентгенофазового анализа исследуемых проб показали, что их химико-минералогический состав является аналогичным с традиционными базальтовыми породами и состоит в основном из минералов альбита, кварца, хлорита, кальцита, а также прочих минералов, содержание которых составляют в очень незначительных количествах.

Исходные образцы базальтовой породы Душшыбулаксого месторождения подвергали обжигу в интервале температур 1000 – 1200^оС. Кривые изменения определения физико-механических характеристик обожженных образцов базальта Душшыбулаксого месторождения (ДшБ сред.) приведены на рис.2

Рисунок 2. Кривые изменения физико-механических характеристик обожженных образцов базальта Душшыбулаксого месторождения

Заключение

Таким образом, представлены результаты исследования по определению химико-минералогического состава, а также физико-механических свойств исходных и обожженных образцов базальта из месторождения Душшыбулак. Установлено, что этот базальт аналогичными минералами других магматических пород, что указывает на возможность его использования в строительной отрасли при производстве теплоизоляционных материалов различного назначения (зданий или сооружений).

Список литературы:

1. Бобкова Н.М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Минск: Высш. шк., 2007. 301 с. ГОСТ 21216-2014. Сырьѐ глинистое. Методы испытаний. – М. Стандартинформ, 2015. – 18 с.
2. Еримбетов Б., Сабиров Б., Пурхланатдинов А., Ходжабергенов Б.B. Yerimbetov, B. Sabirov, A. Purxanatdinov and B. Xojabergenov // Technology for producing lightweight concrete from clay obtained from Uchsay bentonite clay // IV INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL SYMPOSIUM «MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY»: MST-IV-2024. AIP Conference Proceedings 3347(1), P. 020065 (6 P.). – 2024. – P.С. 020065.
3. ГОСТ 26423-85 «Материалы силикатные. Методы химического анализа»
4. Золотов Ю.А., Дорохова E.H., Фадеева В.И. Основы аналитической химии: Учеб. для вузов: В 2 кн.: Кн. 2. Методы химического анализа./Золотов Ю.А., Дорохова E.H., Фадеева В.И. и др.; Под ред. Золотова Ю.А.. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 2000. С. 494 с.
5. Онацкий С.П. Производство керамзита / С.П. Онацкий засл. деят. науки и техники РСФСР, д. т. н., проф. 3-е изд., перераб. и доп.– М.Стройиздат, 1987. – 333 с. ил.; 21.
6. Пурханатдинов А.П., Кадырова З.Р., Ниязова Ш.М. Исследование глинистых сырьевых ресурсов Каракалпакстана для получения теплоизоляционных материалов // Исследование глинистых сырьевых ресурсов Каракалпакстана для получения теплоизоляционных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. Россия,. – Россия, 2018. – С. 19⁠–⁠24.
7. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.:Физ.мат.литературы, 1961.640 с.
8. ASTM – X-Ray Powder Diffraction Data File American Society for Testing and Materials., Philadelphia.- Pa.- 1988. Philadelphia: American Society for Testing and Materials, 1988.
9. Eminov A.M., Kalbaev B.A. Basalt rocks of Karakalpakstanin the production of ceramics Refractories and Industrial Ceramics.64, 3⁠–⁠7, 571⁠–⁠575 (2024).
10. Najimov J. B, Purkhanatdinov A.P, Khojabergenov B.M, Turganbaev B.B. Study of basalt ignestic rocks of the Berkuttovsloe deposit // Science and Education in Karakalpakstan. – 2023. – № 4. – P. 136⁠–⁠140.

References:

1. Bobkova, N.M. Physical Chemistry of Refractory Non-Metallic and Silicate Materials. Minsk: Vysshaya Shkola, 2007. 301 p.
2. Yerimbetov, B., Sabirov, B., Purkhanatdinov, A., Khojabergenov, B. Technology for Producing Lightweight Concrete from Clay Obtained from Uchsay Bentonite Clay. In: IV International Scientific and Practical Symposium “Materials Science and Technology” (MST-IV-2024). AIP Conference Proceedings, 3347(1), 020065 (2024).
3. GOST 26423-85. Silicate Materials. Methods of Chemical Analysis.
4. Zolotov, Yu.A., Dorokhova, E.N., Fadeeva, V.I. Fundamentals of Analytical Chemistry: Textbook for Universities. Vol. 2: Methods of Chemical Analysis. 2nd ed., revised and expanded. Moscow: Vysshaya Shkola, 2000. 494 p.
5. Onatsky, S.P. Production of Expanded Clay. 3rd ed., revised and expanded. Moscow: Stroyizdat, 1987. 333 p.
6. Purkhanatdinov, A.P., Kadyrova, Z.R., Niyazova, Sh.M Investigation of Clay Raw Material Resources of Karakalpakstan for Obtaining Heat-Insulating Materials.Refractories and Technical Ceramics, Russia, 2018, pp. 19–24.
7. Mirkin, L.I. Handbook of X-ray Diffraction Analysis of Polycrystals. Moscow: Fizmatlit, 1961. 640 p.
8. ASTM. X-Ray Powder Diffraction Data File. Philadelphia: American Society for Testing and Materials, 1988.
9. Eminov, A.M., Kalbaev, B.A. Basalt Rocks of Karakalpakstan in the oduction of Ceramics. Refractories and Industrial Ceramics, 2024, Vol. 64, pp. 571–575.
10. Najimov, J.B., Purkhanatdinov, A.P., Khojabergenov, B.M., Turganbaev, B.B.  Study of Basalt Igneous Rocks of the Berkuttovskoye Deposit. Science and Education in Karakalpakstan, 2023, No. 4, pp. 136–140.