凝灰岩的简介及应用

凝灰岩简介及其开发利用凝灰岩是一种分布最广泛、最常见的细粒火山碎屑岩。碎屑主要表现为岩屑、晶屑、玻屑和火山灰，其碎屑粒径一般小于2.0mm。它是由火山爆发而抛入空中的火山物质经长距离的搬运，散落于盆地，再经压结和水化学胶结固结成岩。目前，凝灰岩的研究还比较薄弱，凝灰岩的开发应用在我国尚未引起重视，迄今还未形成产业。丰富的凝灰岩资源如能得到开发应用，它将成为一种新型和重要的非金属矿产资源，不但在国民经济中发挥重要的作用，而且还大大有利于非金属矿产资源的可持续开发与利用。1、地质简况我国凝灰岩主要分布于中国东部，尤其是东南沿海地区的中生代火山岩带中，为环太平洋火山带的一部分，主要产于上侏罗统南园组、磨石山群,中白垩统帽石山群；华北板块北缘中生代凝灰岩分布也较为广泛，岩层主要产于上侏罗统后城组、张家口组和下白垩统义县组。我国凝灰岩以酸性凝灰岩为典型，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,我国东南沿海含叶蜡石凝灰岩建造的CIPW标准矿物含量，主要由石英(Q)、钾长石(or)和钠长石(ab)等矿物组成，其含量(%)分别为38.55、27.39、22.63，三者之和一般大于90%，另外还含有少量钙长石，平均3.56%；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成分主要为SiO2、Al2O3、K2O和Na2O，次要成分为CaO、MgO、SiO2、FeO和Fe2O3等。酸性凝灰岩一般SiO270%、Al2O313%；通常K2O+Na2O5%，且一般K2ONa2O；一般Fe2O30.7%、FeO0.9%，且通常FeOFe2O3，二者之和一般3.80%；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。3、凝灰岩物理化学性质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，笔者等人专题研究和综合前人的研究成果，认为我国凝灰岩具有下列的一些物理化学特性：（1）化学成分特性如前所述，凝灰岩具有高硅(一般70%)、富铝(13%)、丰碱(钾、钠一般5%)和低铁(全铁一般3.8%)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，矿物饲料添加剂的有益元素Cu、Mg、Zn等。（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成。前者主要取决于火山碎屑自身的性质、颗粒形状、大小及其堆积方式、粒径均一度、岩石的压结和蚀变程度等因素，在承受一定压力的自然状态下，颗粒的刚性程度越高、形状越复杂、粒度宽度越窄、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。(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。参考珍珠岩实验研究结果，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。由于不同酸性凝灰岩具有不同的结合水和玻璃质含量，故开发应用其膨胀特性时，应选择好适宜的原料，方能获得最佳效果。(5)复矿性在自然界中，由于凝灰岩的不稳定性，使其容易发生蚀变，在水介质中，经水解脱玻，向沸石类、蒙脱石类矿物或高岭土、埃洛石类矿物转化而发生矿化。部分蚀变的凝灰岩往往包含有一种或几种这类蚀变矿物；如果岩层发生整体蚀变则会形成具工业意义的矿产，如我国东南沿海的含叶蜡石凝灰岩建造，华北板块北缘及东南沿海的含膨润土凝灰岩建造等；一些凝灰岩在沉积成岩过程中伴生一些外来矿物质(包括有机质)，如炭质凝灰岩等，这就决定了凝灰岩是一种天然的矿物复合质原料。凝灰岩的这种性质赋予其自身不具有的一些特殊性质。如含蒙脱石水化流纹质玻屑凝灰岩,其离子交换量(ECa9.68ml/100g，EMg2.21ml/100g，EK0.08ml/100g，ENa0.10ml/100g，CEC17.27ml/100g)，胶质价(37ml/15g)，膨胀容(2.5ml/g)，膨润质(6ml/3g)，悬浮性能(950ml)，液限(34.1)，吸蓝量(5.58g/100ml)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减；由于凝灰岩熔剂总量(即Fe2O3、TiO2、MgO、CaO、Na2O、K2O等熔剂组分之和)一般为6%~13%，平均为9.5%，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，由于具有高的熔剂总量(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。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，这方面的成果尚不多见。由表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，则无论是从经济还是从资源可持续利用的角度考虑，都具有非常重要的意义。表2凝灰岩开发研究及应用方向简表物理化学特性应用开发实例开发利用方向化学成分特性实例1: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。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,高硅质水泥等实例2: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,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3: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4: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5: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硅灰石为主晶相的微晶玻璃。化学活性实例1: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1/4~1/3。还利用高硅等特性。污水澄清剂和净化剂，水泥活性混合材,高强砼活性外掺料,发热剂材料实例2:一种砷和重金属废水净化剂,提取利用炭质凝灰岩的活性炭。产品由镁铝叶绿矾和无定形炭以1:1~4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3: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003%~008%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600~900煅烧的凝灰岩和44%~54%的二水石膏,共同粉磨而成的粉末。多孔性实例1: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。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,保温材料等实例2: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;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。膨胀性有待开发研究助滤剂,轻骨料,保温、轻质材料等复矿性实例1:与化学活性实例2相同。有待开发研究离子交换剂等