輝綠巖飾面石材礦廢石利用探討

譚 均

(中國建材地質勘查中心河北總隊保定，河北 保定 071051)

研究區(qū)為華北地臺北緣的內蒙豐鎮(zhèn)、山西渾源、河北阜平一帶，研究對象是曾大規(guī)模地開采飾面石材用輝綠巖礦遺留下的大量“廢石”。以前主要對輝綠巖用于飾面石材作了大量研究工作，而輝綠巖飾面石材礦采后廢石的利用被忽視。本文是對此區(qū)帶輝綠巖已采飾面石材礦廢石利用的研究。主要探討飾面石材礦“廢石”適宜生產的產品及產品市場前景，分析飾面石材礦廢石利用的可行性。

1 輝綠巖地質背景及開發(fā)中存在問題

1.1 輝綠巖地質背景及資源特征

(1)分布特征：在華北陸塊北緣，受繼承性基底斷裂控制，由北西到南東在內蒙豐鎮(zhèn)、山西渾源、大同、河北阜平、靈壽一帶分布著方向穩(wěn)定、平行分布的基性巖墻群，一般傾向北東，傾角70～90°呈斜列式排列，間距十幾米至幾百米，該巖墻(脈)群帶總長250km，寬約50km，在兩端豐鎮(zhèn)以北和靈壽境內有所收窄，露頭時隱時現(xiàn)[1](圖1)。單個巖墻(脈)寬0.5～100m，一般寬度10～30m，長度數(shù)公里至數(shù)十公里，寬度與長度大體成正比，與圍巖界面平直。古元古代晚期以輝綠玢巖為主，中元古代早期以輝綠巖為主，兩期疊置，規(guī)模宏大，是呂梁晚期和晉寧早期巖漿事件[2]。

圖1 華北陸塊北緣豐鎮(zhèn)—阜平一帶基性巖脈地質分布略圖

(2)巖性特征：輝綠巖呈灰黑色，輝綠結構，輝綠—輝長結構，塊狀構造。主要由斜長石(60%)、普通輝石(30%)及少量角閃石(5%)、石英(＜5%)及磁鐵礦、磷灰石、黑云母、堿性長石組成。偶見橄欖石斑晶，斜長石(An=59)，呈自形—半自形板狀，粒徑0.3～2mm，具聚片雙晶和鈉長石雙晶，可見環(huán)帶構造，局部強絹云母化，黝簾石化。普通輝石呈半自形—他形粒狀，粒徑0.2～1mm，具弱多色性，晶體內常有他形粒狀磁鐵礦分布。角閃石柱狀，柱徑0.3～0.5mm，多色性明顯，與輝石緊密伴生，發(fā)育次閃石化。輝綠玢巖，呈灰黑色，斑狀結構，基質為輝綠結構，塊狀構造。斑晶是斜長石(An=71)，呈半自形—自形寬板狀，雙晶發(fā)育，粒徑3～5mm，局部絹云母化，黝簾石化，含量約5%，基質由基性斜長石(57%～60%)、單斜輝石(33%～35%)并含少量石英(1%左右)、鉀長石(2%左右)、黑云母(2%左右)、角閃石(5%左右)。部分巖石發(fā)生了變質，出現(xiàn)了角閃石和斜長石等變質礦物組合。

(3)化學成分(表1)：據(jù)區(qū)域地質調查和輝綠巖專項調查，在內蒙豐鎮(zhèn)大白溝、山西渾源小單窩和河北阜平砂窩輝綠巖脈上取樣分析結果看，輝綠巖脈Al＜Alk+C，巖石均屬于正常類型，沿走向由北西的內蒙豐鎮(zhèn)到河北阜平，巖脈基性程度有所增加，總體變化不大，呈漸變式。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖里特曼指數(shù)δ分別為4.61、6.34屬堿性系列。阜平輝綠巖里特曼指數(shù)δ平均為3.61，屬次鈣堿性，A/CNK=0.576，表明巖石具準鋁質特征，m/f=0.78，屬于吳利仁劃分的富鐵質基性巖。阜平輝綠玢巖里特曼指數(shù)δ平均為1.21，屬鈣堿性系列，A/CNK=0.651，表明巖石具準鋁質特征，m/f=1.09， 屬于吳利仁劃分的鐵質基性巖。阜平的輝綠巖與輝綠玢巖相比，前者TiO2、K2O、P2O5相對偏高，而Al2O3、MgO、CaO相對偏低，前者屬高鐵玄武巖系列，后者屬于含鎂較高的拉斑玄武巖系列。后者巖漿受陸殼物質的明顯混染，前者巖漿也受到混染，但混染程度弱于后者。由阜平的輝綠巖看，稀土總量高，輕重稀土分餾中等，與大陸堿性玄武巖稀土模式特征相似，形成于早前寒武紀變質基底拉張裂解的非造山構造環(huán)境，屬于堿性玄武巖系列，來源于“富集性”母源，具原始地幔經部分熔融的特點；阜平的輝綠玢巖稀土總量低，輕重稀土分餾極弱，與K.康迪的THZ型拉斑玄武巖稀土模式特征相同，形成于造山帶構造環(huán)境，屬于亞堿性拉斑玄武系列，來源于“虧損性”母源，部分熔融程度較高，具大陸殼火山巖特點[3]。

表1 基性巖化學成分一覽表 (單位：%)

(4)物性特征：經對本區(qū)域河北阜平砂窩、山西渾源小單窩輝綠巖取樣物性測定，巖石較為堅硬，抗壓、抗折、抗剪強度較高，耐酸堿性能好(表2)，放射性測試結果與JC518-93《天然石材產品放射性防護分類控置標準》及(6566—2001)國家標準對比，其適用范圍不受限制。

表2 主要物理特征一覽表

1.2 輝綠巖開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題

在20世紀80年代開始，個體開礦業(yè)主曾對輝綠巖資源進行過“瘋搶式”開采，早期只開采飾面石材，采優(yōu)棄次，僅采大規(guī)格和高檔次的石材荒料，其余均作為廢石處理。在內蒙豐鎮(zhèn)的白塔溝、山西渾源的小窩單和河北阜平的砂窩等地曾采出過名貴的飾面石材“中國黑”[4-6](豐鎮(zhèn)黑、阜平黑)。在本區(qū)帶經幾十年的飾面石材礦開采，形成了大量的采坑和廢石堆，僅阜平境內采坑就不下50余處。采深一般為100～200m，采坑掌子面70～90°。輝綠巖飾面石材荒料率一般不超20%，80%為廢石(不能成荒的碎石)，根據(jù)最近輝綠巖飾面石材礦核實報告，僅阜平境內估算廢石量就達4 500萬m3。早期廢石一般是順坡向下傾倒，或運至附近地勢低洼處，后期多是堆放在采坑內。

2 廢石利用探討

2.1 輝綠巖國內外綜合利用現(xiàn)狀

主要利用輝綠巖物理性能(美觀、耐磨、抗壓、抗折等)的產品，常見的是飾面石材(墓碑、臺面、門柱、工藝石料等)，還可用于建筑石料、高速公路鋪路石料、瀝青混凝土碎石、鑄石以及各種設備(如攪拌機、傳輸帶)的襯里和各種形式的零件(如接頭、套管、爐柵等)。

主要利用輝綠巖化學性能(耐酸、耐堿、防腐等)的產品，有化工粘膠用粉料、耐酸堿的涂料、水泥混合材等。

20世紀80年代前蘇聯(lián)及西歐就有一些用玄武巖生產高質量紡織纖維的工廠[7-8]，美國玄武巖纖維材料已達1 000～1 500t/a[9]。國內纖維、巖棉、鑄石材料及制品的生產，在21世紀也取得了較大的發(fā)展，2002年國家把纖維生產列入“863”計劃，2010年底我國巖棉大型生產企業(yè)已達8家。建筑外墻保溫用巖棉制品、鑄石制品已被廣泛應用。與玄武巖地表分布較為廣泛有關，以前上述產品多以玄武巖為主要原料。

纖維、巖棉、鑄石材料及制品，都是經高溫熔融后制成，熔體中化學成分以氧化物、離子方式對產品的加工、成型和產品性能發(fā)揮作用，對巖石塊度沒有要求，使飾面石材礦廢石利用成為可能。

關于纖維、巖棉和鑄石主要礦石原料我國有一般參考工業(yè)指標[10]、建材工作指南和一些實驗參考數(shù)據(jù)，如中國科學院礦產資源研究重點實驗室劉建明教授的《建立制造連續(xù)玄武巖纖維的原料篩選方法與數(shù)據(jù)庫》、東南大學劉建勛博士的《玄武巖拉絲原料控制技術與熔化爐優(yōu)化升級關鍵技術開發(fā)與示范》[11-18]、上海俄金等企業(yè)的纖維組分值、四川點石玄武纖維科技有限公司提供的生產合格值指標、以及南玻院和一些生產廠家的參考指標。綜合國內外十余家生產和研究單位的玄武巖產品的主要化學成分值合并統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)SiO2、Al2O3、CaO、MgO值域范圍較寬(表3)。生產過程中允許這些化學成分含量有較大的波動，由于熔化技術、生產工藝及廠家質量要求不同，原料標準要求也不盡一致。但對配料后的酸度系數(shù)MK、粘結度系數(shù)Mb和FeO/Fe2O3值有一般要求、原料、配料比例也有一些經驗值，下面歸納列舉巖棉、纖維、鑄石生產和研究單位的一些參考指標和經驗數(shù)據(jù)。

表3 玄武巖產品主要化學成分指標 (單位：%)

(1)巖棉：一般要求，SiO2＜52%，MK以1～ 3.5為宜，配料后的MK＞1.2～1.3，爐料要求MK≥1.5。同時考慮礦物或巖石機械性能、快度的機械強度、溶解溫度及熔融狀態(tài)材料的粘結性。一般要求Mb＞1.2(在1.2～2之間)，生產巖棉玄武巖為主料，還需配料石灰?guī)r和白云巖，比例為7∶2∶1。巖棉帕沃可標準，要求燒失量≤2%，對K2O+Na2O沒有要求。四川帕沃可礦物纖維制品有限公司玄武巖巖棉生產試作配方為：玄武巖270kg、白云巖70kg、水渣型球180kg、焦炭98kg，理論MK1.75。

(2)纖維：一般認為，最適合拉絲的組分要求是：SiO2為50%～58%，(Fe2O3+TiO2)≤11.5%，燒失量＜3%。依據(jù)吳智深等的專利③“一種連續(xù)玄武巖纖維的生產方法”(編號CN10639421A)。，成纖MK≥3(以3.5～5最佳)；Mb≥1.5；FeO/Fe2O3≥0.5。酸度系數(shù)是一個綜合表達玄武巖熔體高溫粘度、成纖性能、易熔性和化學穩(wěn)定性和重要參數(shù)[19]。其值越高，表明熔體粘度越大，纖維拉絲成型工藝要求難度越大。拉絲玄武巖推薦值，專家建議：CaO＞12%會影響粘度，避免CaO＞12%的原料。一般要求Mb＞1.2～2.0。FeO 8%～14%。

酸度系數(shù)計算公式為：MK=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)；

粘結度系數(shù)計算公式：Mb=[m(SiO2)+2m(Al2O3)]/ [2m(Fe2O3)+m(FeO)+m(CaO)+m(MgO)+m(K2O)+m(Na2O)]。

式中：m為各氧化物的分子數(shù)。

(3)鑄石，鑄石要求玄武巖原料細粒、均勻、未風化、不含捕虜體和大于2mm的橄欖石和輝石斑晶。

2.2 飾面石材礦廢石可利用性分析

(1)適宜產品。

輝綠巖國外又稱粒玄巖(Dolerite)，商業(yè)上稱其為暗色巖。輝綠巖屬于基性巖的淺成相，與噴發(fā)相玄武巖、超淺成相輝綠玢巖、深成相輝長巖化學成分相似，可以開發(fā)與玄武巖類似的產品。一般輝綠巖化學成分穩(wěn)定，SiO2含量較玄武巖稍高，K2O、Na2O含量較玄武巖少，含微量TiO2，稍加堿性調節(jié)輔料，酸度系數(shù)就可達到成纖要求。因此熔體質純，制得的纖維化學性穩(wěn)定。輝綠巖不含或很少含石英和游離氧化硅，巖石均質、細粒，不含大斑晶和外來雜質，可用于生產鑄石。據(jù)蘇良赫、列別金斯基等研究，我國大多數(shù)玄武巖、輝綠巖宜作鑄石原料[19]。國內外均有用輝綠巖生產鑄石、巖棉的先例，如捷克生產巖棉也用內生成因的基性巖。我國陜西略陽田壩曾以輝綠巖為主要原料生產鑄石，配比為：輝綠巖78%、鉻鐵礦8%、角閃石8%、白云巖4%、螢石2%。

由前述阜平輝綠巖特征看，輝石顆粒僅個別大于2mm。可用于生產鑄石產品，由輝綠巖物性特征(表1)看，滿足飾面石材和鑄石要求。由表2與表3、表4比較，可見阜平輝綠巖化學成分值均在纖維、巖棉和鑄石產品要求的幅度內，SiO2含量略低于50%，與拉絲最佳值要求下限接近。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖化學成分值在纖維原料要求值幅內，但是SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O值比巖棉和鑄石原料要求值偏高。

經計算，阜平輝綠巖的MK值為4.68、4.53、4.82、3.71在成纖最佳值域(3.5～5)。阜平輝綠巖的Mb值 均≥1.5，為1.94、1.96、1.70、1.98。FeO/Fe2O3值 為0.45、1.0、0.74；阜平輝綠 玢巖MK值 為5.59，略 高，Mb值 為2.17，F(xiàn)eO/Fe2O3值為0.63。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖MK分別為7.24、6.11；Mb分 別為2.47和2.12，F(xiàn)eO/Fe2O3=0.20。

由酸度系數(shù)MK值、粘結度系數(shù)Mb值看，豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖都適合成纖，除阜平輝綠玢巖外，F(xiàn)eO/Fe2O3值都＜0.5，需通過配料調劑達到要求。阜平輝綠巖大部分不需調節(jié)，小部分稍加輔料調節(jié)即可，屬于質純原料，能生產出化學性穩(wěn)定的纖維產品。豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖酸度系數(shù)和粘結度系數(shù)都超出了巖棉原料要求的酸度系數(shù)和粘結度系數(shù)的要求范圍，主要是酸性較大，需加石灰?guī)r、白云巖等配料向基性方向調劑。

根據(jù)蘇良赫、列別金斯基等設計的鑄石Sal-Cafem、ALK三角圖解(圖2)，阜平輝綠玢巖樣品和部分輝綠巖樣品投點于適宜鑄石的虛線范圍內，豐鎮(zhèn)、渾源和阜平部分輝綠巖樣品投在虛線范圍外圍，屬于不適宜作鑄石的范圍。主要是SiO2含量偏高，但是可以通過添加配料調劑達到要求。

圖2 鑄石Sal-Cafem、ALK三角圖解

(2)產品市場前景。

在華北地區(qū)，雄安新區(qū)正在大規(guī)模地進行城市建設，像保定這樣的中等城市也在不斷地擴建中，未來對環(huán)保、節(jié)能產品需求量巨大。纖維、巖棉、鑄石產品及生產符合低碳節(jié)能減排趨勢和國家的產業(yè)政策，正面臨前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。因此纖維、巖棉、鑄石產品市場前景非常光明。

3 結論與建議

豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖、輝綠玢巖均適宜于成纖。阜平輝綠玢巖、輝綠巖適宜于鑄石，但部分輝綠巖需要添加調劑輔料。豐鎮(zhèn)、渾源、阜平的輝綠巖、輝綠玢巖要生產巖棉，豐鎮(zhèn)、渾源的輝綠巖、輝綠玢巖要生產鑄石，均需不同程度地添加調劑輔料。

輝綠巖有較獨特的物理、化學屬性(如耐酸耐堿防腐蝕、耐磨，其產品具防火、防水、隔聲、隔熱、保溫、輕質、節(jié)能、電絕緣等特性)，資源是珍貴的，隨著科技進步、生產技術水平的不斷提高，其產品領域會進一步拓寬。開采輝綠巖飾面石材礦的“廢石”一定要分類堆放(不要與圍巖混雜)，以備綜合利用，避免過度分散致資源價值滅失。礦產資源是不可再生的，要樹立科學發(fā)展、新發(fā)展、持續(xù)發(fā)展的理念，節(jié)約礦產資源，采礦方式必須由粗放式轉變?yōu)榧s式，切實執(zhí)行礦產資源利用“三率” 最低指標[20]要求。要物盡其用，提高礦產資源綜合利用能力。應當把此作為礦產開發(fā)中政府指導、監(jiān)督和干預的一項重要責任。