凝灰巖簡介及其開發利用 凝灰巖是一種分布最廣泛、最常見的細粒火山碎屑巖。碎屑主要表現為巖屑、晶屑、玻屑和火山灰，其碎屑粒徑一般小于 2.0mm。它是由火山爆發而拋入空中的火山物質經長距離的搬運，散落于盆地，再經壓結和水化學膠結固結成巖。目前，凝灰巖的研究還比較薄弱，凝灰巖的開發應用在我國尚未引起重視，迄今還未形成產業。豐富的凝灰巖資源如能得到開發應用，它將成為一種新型和重要的非金屬礦產資源，不但在國民經濟中發揮重要的作用，而且還大大有利于非金屬礦產資源的可持續開發與利用。1、地質簡況我國凝灰巖主要分布于中國東部，尤其是東南沿海地區的中生代火山巖帶中，為環太平洋火山帶的一部分，主要產于上侏羅統南園組、磨石山群,中白堊統帽石山群；華北板塊北緣中生代凝灰巖分布也較為廣泛，巖層主要產于上侏羅統后城組、張家口組和下白堊統義縣組。我國凝灰巖以酸性凝灰巖為典型，以流紋質和流紋英安質為主，屬鈣堿性系列火山巖。2、凝炭巖物相及化學成分特征凝灰巖具有凝灰或沉凝灰等結構。巖石主要由晶屑、玻屑、巖屑、角礫和火山灰等火山物質組成，晶玻屑常具多種形態，如火焰狀、雞骨狀、撕裂狀和弧面狀等。據計算,我國東南沿海含葉蠟石凝灰巖建造的CIPW標準礦物含量，主要由石英( Q)、鉀長石(or)和鈉長石(ab) 等礦物組成，其含量(%)分別為 38.55、27.39、22.63，三者之和一般大于90% ，另外還含有少量鈣長石，平均3.56%；其它礦物，尤其是鐵鎂礦物含量很少。此外，凝灰巖常不同程度地伴生有沸石、蒙脫石、伊利石或高嶺石、埃洛石等蝕變礦物。由表1可知我國酸性凝灰巖化學成分主要為SiO2、Al2O3、K2O和Na2O，次要成分為CaO、MgO、SiO2、FeO和Fe2O3等。酸性凝灰巖一般SiO2 70%、Al2O3 13%；通常K2O+ Na2O 5% ，且一般K2O Na2O；一般F e2O3 0.7%、FeO0.9%，且通常FeO Fe2O3，二者之和一般70%)、富鋁(13%)、豐堿(鉀、鈉一般5%)和低鐵(全鐵一般3.8%)等，此外它還具有多種有益的微量元素和稀土元素，如對水稻增產有利的Mo、Zn、B等，礦物飼料添加劑的有益元素Cu、Mg、Zn等。（2）化學活性與火山灰質材料、粉煤灰等的化學活性相類似。將凝灰巖磨細成粉，與石灰或石灰與石膏混合后，在常溫下發生化學作用，生成具有凝膠性的水化物。具化學活性的混合材料，往往是在低溫和壓力驟然釋放條件下形成的固體非晶態物質。在常溫下這些非晶態物質不穩定，極易向熵增加的方向轉化，而顯示出化學活性。凝灰巖正是在這種條件下形成的，其物相包括了大量的非晶態的火山玻璃，從而顯示出異常高的化學活性。( 3) 多孔性凝灰巖的孔隙度主要由粒內和粒間兩類孔隙組成。前者主要取決于火山碎屑自身的性質、顆粒形狀、大小及其堆積方式、粒徑均一度、巖石的壓結和蝕變程度等因素，在承受一定壓力的自然狀態下，顆粒的剛性程度越高、形狀越復雜、粒度寬度越窄、粒徑越均一、堆積越松散、壓結程度越低,粒間孔隙度就越大；而后者主要有兩種成因，一種為火山氣孔，屬原生孔隙，而另一種為淋濾孔，屬后生孔隙。原生火山氣孔形態較為規則，多呈空心球狀、橢球狀、弧面狀、盤狀及圓窩狀等結構形態；而受淋濾作用形成的孔隙，以不規則柱狀和顆粒表面的蜂窩狀、網格狀孔隙居多，部分為侵蝕凹坑。凝灰巖孔隙的大小、分布特征、比表面積以及其孔隙率、吸水率、導熱系數是當前亟待研究的問題。( 4) 膨脹性與珍珠巖相似，酸性的凝灰巖玻璃質在高溫瞬時灼燒下體積膨脹數倍至幾十倍。其膨脹主要是由于玻璃質中的結合水，在高溫時汽化，使玻璃質膨脹所致。決定膨脹倍數 K ( V2/ V1) 的因素主要是有效含水量和適宜的加工粒度。參考珍珠巖實驗研究結果，最佳膨脹效果的有效含水量一般為2%4%,加工粒度待工業用途所需膨脹倍數而定，一般為-4目到+100為宜。由于不同酸性凝灰巖具有不同的結合水和玻璃質含量，故開發應用其膨脹特性時，應選擇好適宜的原料，方能獲得最佳效果。( 5) 復礦性在自然界中，由于凝灰巖的不穩定性，使其容易發生蝕變，在水介質中，經水解脫玻，向沸石類、蒙脫石類礦物或高嶺土、埃洛石類礦物轉化而發生礦化。部分蝕變的凝灰巖往往包含有一種或幾種這類蝕變礦物；如果巖層發生整體蝕變則會形成具工業意義的礦產，如我國東南沿海的含葉蠟石凝灰巖建造，華北板塊北緣及東南沿海的含膨潤土凝灰巖建造等；一些凝灰巖在沉積成巖過程中伴生一些外來礦物質(包括有機質)，如炭質凝灰巖等，這就決定了凝灰巖是一種天然的礦物復合質原料。凝灰巖的這種性質賦予其自身不具有的一些特殊性質。如含蒙脫石水化流紋質玻屑凝灰巖,其離子交換量(ECa9.68ml/100g，EMg2.21ml/100g，EK0.08ml/ 100g，ENa0.10ml/100g，CEC17.27ml/ 100g)，膠質價(37ml/15g)，膨脹容(2.5ml/ g)，膨潤質(6ml/3g)，懸浮性能(950ml)，液限(34.1)，吸藍量(5.58g/100ml)等都要大于正常的凝灰巖而小于膨潤土，而且隨著凝灰巖層層位的變化和蒙脫石含量的增減，凝灰巖的這種離子交換性能和膨潤性能也顯示出相應的增減；由于凝灰巖熔劑總量(即Fe2O3、TiO2、MgO、CaO、Na2O、K2O等熔劑組分之和)一般為6% 13%，平均為9.5%，決定了其具有高的燒成收縮率和低的耐火度和燒結溫度等特征，對于含蒙脫石水化統紋質玻屑凝灰巖，由于具有高的熔劑總量(平均為 7%)，其線收縮率最高可達到24%，體積收縮率最高可達56%，而耐火度低于1400 ，燒結溫度范圍較窄為1160 1180。再如含伊利石凝灰巖，其鉀來源于伊利石和凝灰巖，故鉀的含量頗為可觀，可用于工業提鉀或作為混肥的有效組分之一。4、我國凝灰巖的開發利用及前景我國對于凝灰巖的開發利用研究尚還處在初級階段，這方面的成果尚不多見。由表2可知，當前凝灰巖的開發研究主要集中在利用其化學成分特性、化學活性、多孔性等物理化學特性方面，而膨脹性和復礦性等物化特性則鮮見開發研究和報導。從凝灰巖的一些有待開發應用方向來看，今后凝灰巖將會在建材、農業、精細化工、食品、環保等領域大有作為。可以預料，隨著凝灰巖開發利用研究的深入，其應用領域將會不斷地被拓展，其潛在的資源優勢最終將得以發揮；再者，我國凝灰巖層常和與其有成因關系的沸石、膨潤土、高嶺土等蝕變礦床呈層狀、互層狀或夾層狀產出,在開采這些蝕變礦產的同時如能回收或開采與其相伴生的凝灰巖，則無論是從經濟還是從資源可持續利用的角度考慮，都具有非常重要的意義。表 2 凝灰巖開發研究及應用方向簡表物理化學特性應用開發實例開發利用方向化學成分特性實例1:橡膠和塑料的填充劑。以玻屑凝灰巖為原料。將該巖粉碎加工后用作橡膠和塑料的填料,其加工性能、拉伸強度、伸長率均與輕質碳酸鈣相當,可部分代替碳酸鈣和白炭黑,對降低成本有利,主要利用高硅等特性。表面改性,高檔工業填料,柔性磨料,人工合成硅灰巖,白炭黑, 活性白土,復合肥、混肥填料或添加劑, 礦物飼料添加劑、補充劑,陶瓷配料, 高硅質水泥等實例2:多元素復合肥。以中堿性凝灰巖作為提供多種微量元素和稀土元素的載體。經磨碎篩選,配以相應比例的氮磷鉀肥,混合均勻,加水拌合,造粒、烘干即為成品。工藝簡單,成本低,適于酸性土壤中種植農作物使用。主要利用多微量元素和稀土元素,豐堿等特性。實例3:節堿型玻璃制造工藝與產品。富堿粗面凝灰巖為原料。以該巖為主要制玻原料,節堿效果明顯,操作范圍長,有利于玻璃的成型,提高產品質量。該制造工藝主要用于制造瓶罐玻璃、日用玻璃、玻璃馬賽克和陶瓷。主要利用豐堿、高硅等特性。實例4: 合成集渣劑。以凝灰巖 (珍珠巖) 為組合成份之一。一種合成型集渣劑,特別適合于鑄鐵澆注時使用,這由凝灰巖 (珍珠巖)、石英玻璃和小蘇打組合而成,也可以再加入稻草灰,該集渣劑為顆粒狀,集渣成塊,無粉塵,不粘包,不掛渣,蓋于鐵包表面時長時間也不會收縮,冷卻后成有脆性的玻璃體易以清除。實例5:火山凝灰巖微晶玻璃。采用高硅富堿的火山凝灰巖為主要原料研制成了以硅灰石為主晶相的微晶玻璃。化學活性實例1 :人工合成微孔硅酸鈣, 以玻屑凝灰巖為原料。產品具有容重輕、強度高、線收縮率小、保溫性能好等特點, 主要技術指標達到國家標準, 產品成本低、附加值高, 比以往用硅藻土為原料的產品成本要低 1/ 4 1/ 3。還利用高硅等特性。污水澄清劑和凈化劑，水泥活性混合材, 高強砼活性外摻料, 發熱劑材料實例2:一種砷和重金屬廢水凈化劑, 提取利用炭質凝灰巖的活性炭。產品由鎂鋁葉綠礬和無定形炭以 1: 1 4 的重量比配合組成、產品中含一定量的活性 SiO2( 2% 8% ) 和無定形炭, 無定形炭為天然活性炭, 為無定形炭和少量巖屑所組成, 是由該巖經水解作用形成, 主要利用游離 SiO2活性及復礦性。實例3:凝灰巖膨脹劑, 凝灰巖, 是一種水泥、混凝土膨脹劑, 在制備混凝土或砂漿時摻入 10% 12% , 可制備補償收縮混凝土或砂漿, 獲得 0 03% 0 08% 的限制膨脹率, 提高抗裂防滲能力。凝灰巖膨脹劑是由 46% 56% 的經600 900 煅燒的凝灰巖和 44% 54%的二水石膏, 共同粉磨而成的粉末。多孔性實例1 :涂料填料, 玻屑凝灰巖, 可全部代替滑石粉和部分代替碳酸鈣, 做內墻涂料填使用, 可大幅度降低生產成本, 主要利用輕質疏松, 表觀 ( 色白) 等特性。通用助濾劑, 污水處理劑,催化劑載體, 吸收劑, 干燥劑,農 藥、化肥載體或吸著劑, 硝酸氨球粒的防結塊劑,瓷盒, 輕骨料, 保溫材料等實例2: 食品助濾劑, 以玻屑凝灰以巖為主要原料, 較好地解