非金属结构建筑材料矿产

第六章非金属矿产以矿物和岩石的天然物理性质加以利用的矿产叫非金素属矿产，有一些是从矿物中提炼非金属元素或者化合物，如硫磺、磷、硼酸等。非金属矿产不易简单分类，同一种矿物可以有不同的用途，不同的矿物可以有同样的用途。非金属的价格不象金属那样稳定，其价格变化一取决于运输；二是经济形势；三是社会消耗量。我国的非金属矿产如陶瓷黏土、石盐、石膏、石棉等非金属矿产是极其丰富的，有一些非金属矿产储量居于世界前列（表3—1），可以作为出口创汇矿产。近些年我国又发现了一大批非金属新矿种，如硅灰石、累脱石、海泡石、凹凸棒石（坡蝼石）、绢英岩（陶瓷原料）、水云母、千枚岩（水泥配料）、矽线石、蓝晶石、红柱石、杂卤石、霞石正长岩、透闪石、透辉石、粉石英（高硅石）、钠长石阳起石片岩、麦饭石、水镁石等。表6—1中国主要非金属矿产的储量及产量矿种储量(108t)年产(104t)矿种储量(108t)年产(104t)石膏5751000芒硝10050硫磺161800重晶石4190石墨270滑石2.6230萤石1.7200菱镁矿30210硅灰石110硅藻土2.410水泥灰岩4353亿吨花岗石材91000一陶瓷、耐火原料及可烧结材料：（一）陶瓷原料陶瓷是陶器和瓷器的总称，陶器是指用粘土类矿产烧制的器皿，具有吸水性，现代陶器也涂一些粗釉；瓷器是指用高岭土等烧制的器皿，质地细腻，硬而脆。陶瓷与玻璃的区别是由半熔融物质与残余物质固结而成。1、组分传统的陶瓷原料由三部分组成，即主料粘土类，助溶剂长石、硅灰石、透辉石、透闪石等及石英硅质填料。传统的陶瓷组分配方多凭经验技术调制，随着对陶瓷产品的新用途的要求，传统配方已经不能满足要求，需要定量测定陶瓷性能，因此开展陶瓷配方的定量研究成为新的研究趋势。白志民等以硅酸岩陶瓷原料为研究对象，选择石英、碱性长石、高岭土、透辉石和红柱石为实验原料，进行了定量配比实验研究，并且分析了烧结体的物相主要有生成物莫来石、白榴石、透辉石、玻璃相和烧结残余物石英、鳞石英、碱性长石、斜长石、透辉石组成。定量测定了烧结体的吸水率、抗折强度、硬度、收缩率、密度等物理性能。2、烧结工艺低温快烧原料开发是另一研究方向，由于陶瓷生产自动化程度提高、燃料费用上升，促使人们认识到降低烧结温度、缩短烧结时间是节省能耗的关键，这其中采用合适的助溶剂是有效的手段。长石类矿物是传统的助溶剂，但研究发现霞石正长岩、硅灰石、透辉石、锂辉石、叶腊石、滑石也是很有效的助溶剂。提高陶瓷制品的机械强度，并相应降低其重量、厚度是现代陶瓷工艺研究的另一重要目标，研究发现在长石—石英—高岭土陶瓷配料中加入ａ—Al2O3，可以明显提高陶瓷制品强度。粘土是传统陶瓷的主要配料，粘土是各种粘土矿物与胶体物质混杂的矿物集合体，其中高岭土是主要陶瓷粘土矿物。高岭土，是以高岭石为主，并含其它矿物如迪开石、埃洛石、水云母、蒙脱石等粘土矿物。一般日用瓷器或卫生瓷器高岭土原矿要求其Al2O3成分在14％以上，精矿高于24％。其它用作陶瓷原料的矿产是钾长石、煤矸石、铝土矿、矽线石。其中有害成分是Fe2O3和TiO2。陶瓷辅助原料有滑石、叶腊石、硅灰石、白云石、萤石、硅藻土、石膏、硼砂（搪瓷必需材料）等。(二)玻璃原料玻璃与陶瓷类似，主要由硅质原料熔制而成，硅质原料主要是石英砂、石英砂岩、石英岩、脉石英。除硅质原料外，还需要白云岩、石灰岩、纯碱、芒硝、萤石、长石、硼砂、锂等原料。玻璃生产中，纯碱消耗量达原料的15—18％，由于纯碱市场紧俏，价格较高，寻找开发节碱或代碱玻璃原料，是目前开发的主要方向。目前采用的节碱玻璃原料有霞石正长岩、响岩、浅粒岩、珍珠岩、铌钽矿尾砂等。（三）耐火材料1、矿产种类耐火材料在现代冶金工业中有重要作用，高温耐火材料主要是富镁铝矿物岩石，包括菱镁矿、水镁石、高铝粘土、蓝晶石、红柱石、矽线石、叶腊石、石墨。2、用途用耐火材料修建的炉窑及炉衬或耐火砖，具有熔点高、不变形、不脆裂的特点，可以在2000度以上高温不熔融。耐火材料是指耐火度在1580℃以上的无机材料，耐火度是指在高温下达到特定软化程度的温度。耐火材料与高温技术尤其是与高温冶金工业发展密切相关，相互依存，互相促进，共同发展。耐火材料是由特征的矿物岩石经过一定工艺加工而成的制品。耐火材料的气孔类型、孔隙率、密度、吸水性及透气性直接影响其强度、热稳定性等力学和热力学性质，而这些都与材料类型有关，因此根据不同用途了解不同种类耐火材料的性质是重要的。3、分类按照矿物及化学组成，耐火材料可以划分如下类别：⑴硅质耐火材料以SiO2为主要成分的耐火材料，主要生产硅砖和石英玻璃制品，其生成矿物相为鳞石英、方石英及石英玻璃。⑵硅酸铝质耐火材料其主要成分Al2O3在30％以上，Al2O3在46％以上的铝质耐火材料为高铝耐火材料。铝质耐火材料是由含一水硬铝石、高岭石、叶腊石、水云母、伊利石、蒙脱石等粘土矿物岩石生产。一般硅酸铝耐火材料生成矿物相是方石英和莫来石，高铝耐火材料生成矿物相是莫来石（3Al2O3.2SiO2）与刚玉（Al2O3）。*****Al2O3—SiO2相平衡图蓝晶石、矽线石与红柱石是一组无水铝硅酸盐Al2SiO5的同质异相变体，经过高温烧结可以产生莫来石、方石英、刚玉，因此是优质高铝耐火材料矿产。⑶镁质耐火材料以MgO为主要成分，耐火度高达1900℃以上，菱镁矿、白云石等含镁矿物岩石经过焙烧生成重烧镁是优质碱性耐火材料，对各种熔融金属和炉渣具有抗腐蚀性。因此重烧镁主要用作冶金工业的耐火材料，制造镁砖、镁坩锅及耐火炉衬等。镁质耐火材料的主要生成矿物相是方镁石（MgO），铁方镁石、镁铝尖晶石（MgO.Al2O3）、镁铁尖晶石（MgO.Fe2O3）、镁铬尖晶石（MgO.Cr2O3）。橄榄石也是含MgO较高的矿物，也可以用于生产镁质耐火材料，其生成矿物相主要是镁橄榄石（2MgO.SiO2）与少量方镁石。4尖晶石质耐火材料主要含铬尖晶石（Cr2O3＞30％）和方镁石等矿物组成的制品。镁铬耐火砖具有耐急冷急热性能，镁铬砖的发明极大促进了碱性平炉的发展。5碳质耐火材料主要由石墨及碳化物构成的耐火材料，如碳化硅、碳纤维等。石墨质耐火材料具有耐高温、不熔化，耐酸碱的性能，但石墨材料高温时易氧化、硬度及强度低，因此常与耐火粘土结合使用。硅石与焦炭、无烟煤在高温电炉中合成，碳化硅的化学性质稳定、耐酸碱、耐高温，因此是一种优质耐火材料。一般由于各种耐火材料常各有优劣，因此经常是根据不同需求结合一起利用。以优质镁砂为主要原料，配合一定量的高铝粘土、铬铁矿，可以烧制成优质的复合耐火材料，如镁铝耐火砖或镁铬耐火砖，也可以生产镁硅砖、镁钙砖等耐火砖。（四）砖瓦粘土大规模的普通建筑用砖瓦是一种低温粘土烧结制品，在我国已经有3000多年的的历史，历史上有名的秦砖汉瓦是砖瓦烧结制品的顶盛时期。砖瓦与陶器制品类似或者说是一种初级陶器制品，其具有更大的孔隙度和较强的透气性，其配料分为主料粉砂、粘结及助熔料粘土质，以适当比例配制，可以烧结不同性能的砖瓦制品。粘结料多导热不均、透气性差、易裂纹，但制品结构细腻，适合烧制薄层瓦制品。粉砂料多坯料透气性好导热均匀，但制品结构粗糙，适于烧制砖。用于烧制砖瓦的粘土，按所含杂质不同可以分为普通粘土、砂质粘土、铁质粘土、泥灰粘土、黄土、红土等，此外粘土质页岩或煤矸石也可以用于烧制砖瓦。粘土的主要化学成分是Al2O3和SiO2，并含有铁、镁、钙、钾、钠等组分。砖瓦粘土的耐火度在1350℃以下，属于低温烧结制品。由于砖瓦烧结多为民间经验传授，没有系统科学研究资料，对于不同产品质量缺乏对比研究，根据一般的分析砖瓦粘土有如下一些要求：1、化学成分有较大的波动范围（表3.1—1）表3.1—1砖瓦粘土化学成分表2、矿物组成砖瓦粘土的矿物组成主要有粘土和粉砂，一般粘土颗粒＜0.005ｍｍ，粉尘级颗粒多属硅质矿物介于0.005—0.05ｍｍ，粉砂颗粒＞0.05ｍｍ。根据矿物颗粒组成可以划分砖瓦粘土如下级别（表3.1—2），用于烧制砖瓦的粘土粉砂含量一般低于＜25％。一般细颗粒多的肥粘土和粘土适合于制瓦和薄壁空心制品，砂质粘土、一般粘土适合烧制普通砖。表3.1—2砖瓦粘土分类表化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO(K+Na)2OSO3挥发分含量（％）55—807—203—150—150—31—50—33—15颗粒含量（％）名称粘土（＜0.005ｍｍ）粉尘及粉砂（＞0.005ｍｍ）肥粘土＞60＜40粘土30—6070—40砂质粘土10—3090—70砂土5—1095—90粉砂0—5100—953、一般砖瓦的粘土要求有适当的可塑性及收缩性，制瓦粘土比制砖粘土塑性及收缩性要大，干缩率在3—12％，烧成收缩率2—8％。随着建筑业的大力发展，砖瓦烧结制品配料及烧结工艺及其制品物理性质的定量研究显得越来越重要，应该是一个重要的研究发展方向。二、结构建筑材料(建筑学照片.ppt)1石材凡具有可拼接性、具有装饰效果、坚固耐用、有一定块度适于加工抛光的岩石均可以用作石材。天然石材商品分类可以分为大理石、花岗石、板材三类。大理石是碳酸盐岩矿产，因云南大理出产著名的石材而得名，包括大理石、白云质大理石、蛇纹石化大理石、结晶灰岩、石灰岩及白云岩等碳酸盐石材。大理石结构致密、颜色各样，往往具有独特的花纹，形成彩色图案，纯白的大理石也称汉白玉，大理石硬度低，性柔润，具有良好的加工性能，是高档建筑石雕材料。一般大理石的质量要求有如下方面：ａ、质地细腻、致密、颜色与花纹美观、稳定。ｂ、加工性能良好，易于开采、切割、抛光打磨。ｃ、一般荒料最小规格是0.6×0.5×0.3m3，不应有裂纹。ｄ、成分均匀，如含玉髓、硅质成分则开采加工困难；若含绿泥石条带，则易碎裂；含黄铁矿多，降低绝缘性，其氧化出现铁斑，影响美观效果。大理石是结晶碳酸盐岩石，在雨水尤其是酸雨作用下易于腐蚀脱落，如果将透明玻璃贴于表面，则可以保持其装饰效果。大理石矿产在各地产出较多，但达到高档石材要求的大理石则是有限的，一般大理石无放射性，并具有一定的吸附性，因此适于制作室内装修材料。花岗石是硅酸盐岩浆岩石材的统称，由基性中性岩生产的石材称黑色花岗石、由酸性花岗岩、闪长岩生产的石材称红色或白色花岗石，也包括一些变质岩。主要矿物成分是硅酸盐矿物，具有耐酸碱的良好性能，并具有良好的加工成材性能，因此在现代建筑也被广泛的作为饰面材料，尤其是用作墙体贴面及大型建筑雕刻材料。花岗石中含有一定的放射性元素，尤其是红色花岗岩类花岗石，放射性较高，不适合用作室内装修材料。岩浆岩广泛分布，各地均有花岗石材料大量产出。板材是指板理发育，沿板理可以直接加工剥离成石板的岩石原料，它多属于直接制板贴用，一般不需要再抛光，板岩结构致密，质地坚硬，吸水性低，不易风化，具有耐火性。与大理石及花岗石相比，具有颜色古雅、易于加工、易于拼接、造价低等特点，常用在建筑装饰上。板材主要是低级变质岩泥板岩类。2水泥材料水泥的主要组分CaO75%，粘土25%（SiO2+Al2O3+Fe2O3＝20%，MgO5%），有害组分是SO3和Mg。因此水泥原料主要是钙质碳酸盐和粘土、火山灰、矿渣、粉煤灰、石膏、沸石。及石膏配料，一般生产1000吨水泥须消耗60吨石膏，在其中起促凝作用，水泥原料中黄铁矿等硫化物是有害物质。水泥灰岩的一般工业要求是：CaO＞48％，MgO＜3％，K2O＋Na2O＜0.6％，SO3＜1％，fSiO2＜4％，Cl＜0.015％。水泥的生产工艺，是将原料和配料按适当比例配合磨制成生料，经煅烧成熟料，然后与适量石膏和混合材料共同磨制水泥。水泥熟料的组成为硅酸三钙（3CaO.SiO2，50％）、硅酸二钙（2CaO.SiO2，25％）、铝酸三钙（3CaO.Al2O3，10％）、铁铝酸四钙（4CaO.Fe2O3.Al2O3，15％）。这些化合物遇水后发生水化