Для промышленного использования вермикулитсодержащих пород их подвергают обогащению, чтобы увеличить содержание (концентрацию) вермикулита в руде. Таким способом получают вермикулитовые концентраты. Вместе с тем для вспучивания используют не только концентраты, содержащие минерал-вермикулит, но и концентраты родственных ему сильногидратированных видов слюды, например гидробиотит и гидрофлогопит.
Вообще в промышленности вермикулитом часто считают гидратированную слюду, хорошо вспучивающуюся при быстром нагревании.
Строение вермикулита подобно строению слюды, причем часть ионов Si замещена в нем ионами Аl, а вместо ионов К содержатся ионы Са и Mg, связанные с молекулами воды и взаимозаменяемые. В минералогии вермикулитом считают слюду с крайней степенью гидратации, в кристаллической решетке которой щелочи замещаются водой. Поэтому единой и точной химической формулы для вермикулита, как минерала, написать нельзя. Содержание составных частей может колебаться в следующих пределах в %: Si02 37—42, MgO 14—28, Fe203 5—17, FeO 1—3, A1203 10—13, H20 8—20. Кроме того, в вермикулите может находиться К20 + Na20 в небольшом количестве (до 1—2%).
Самым замечательным свойством вермикулита является его способность при быстром нагреве расщепляться на отдельные слюдяные пластинки, лишь частично скрепленные между собой. В результате такого расщепления зерна вермикулита сильно вспучиваются.
Причиной вспучивания является энергичное взрывообразное выделение паров воды, которые, действуя перпендикулярно плоскостям спайности, раздвигают пластинки слюды и увеличивают тем самым объем зерен в 15—20 раз и более. Вспученный вермикулит имеет своеобразную пластинчатую пористость, которой не обладают другие теплоизоляционные материалы.
Исследования показали, что тончайшие пластинки (от 5 до 25 мк) образующие зерна хорошо обожженного вспученного вермикулита, сохраняют присущую пластинкам природного вермикулита упругость, приобретая во время обжига лишь несколько большую изогнутость. Пористое строение вспученного вермикулита отличается наличием сообщающихся между собой пор неправильной, линзовидной, вытянутой по слоистости формы. Зерна вспученного вермикулита практически не имеют замкнутых, изолированных друг от друга пор.
На степень вспучивания оказывает влияние содержание воды в вермикулите: чем больше воды, тем сильнее происходит вспучивание.
Вода, содержащаяся в вермикулите, имеет неодинаковые и еще не окончательно установленные формы связи с основным веществом минерала. В природном вермикулите различают следующие виды воды:
а) конституционную (гидратную), входящую в точных стехиомет-рических количествах в молекулярную структуру минерала;
б)цеолитную, находящуюся в виде твердого раствора, причем вода является растворимым веществом, а кристаллы минерала, наоборот, растворителем;
в)межпакетную, содержащуюся между чешуйками слюды, прочно адсорбированную на плоскостях их спайности;
г)гигроскопическую, механически удерживаемую на'поверхности зерен минерала.
Процесс дегидратации вермикулита при его нагревании можно схематически разделить на следующие три стадии: первая стадия — при температурах до 200° С — происходит удаление гигроскопической влаги, т. е. по существу сушка, сопровождаемая начинающимся вспучиванием, вторая стадия — в интервале от 200 до 275° С — характерна удалением межпакетной воды, что связано с уже сильным вспучиванием; третья стадия — в широких пределах от 700 до 1100° С — удаляется конституционная вода, что обусловливает дальнейшее увеличение объема зерен вермикулита.
Применительно к вспучиванию вермикулита в технической литературе различают два понятия коэффициента вспучивания:
коэффициент вспучивания вермикулита Кв, равный отношению объемного веса вермикулита до вспучивания к объемному весу того же вермикулита после вспучивания. Для вермикулита значение Кзв достигает 10, а гидрослюды — 4;
коэффициент вспучивания отдельных зерен вермикулита Козв, представляющий отношение толщины зерна после вспучивания (s2) к толщине зерна до вспучивания (sx). Для разных вермикулитов значение Козв, колеблется от 15 до 40.
Первичными показателями качества вспученного вермикулита служат размер зерен и объемный вес.
В зависимости от размера зерен вспученный вермикулит делят на две фракции: мелкий — от 0,15—0,25 до 3 мм и крупный — от 3 до 10—15 мм. По объемному весу (в насыпном состоянии без уплотнения) вспученный вермикулит должен соответствовать маркам 100, 150, 200, 250 и 300.
Величина объемного веса вспученного вермикулита связана с размером зерен: объемный (насыпной) вес возрастает с уменьшением размера зерен (рис. 48). Коэффициент теплопроводности вспученного вермикулита зависит от его объемного веса, а следовательно, и от размера зерен. Для указанных марок вермикулита коэффициент теплопроводности должен быть в пределах 0,065—0,085 ккал/м • ч-град (при 25° С).
Мелкозернистый вермикулит, как имеющий больший объемный вес, чем крупнозернистый, имеет и более высокий коэффициент теплопроводности при температуре 20° С, но зато рост коэффициента теплопроводности с повышением температуры у мелкозернистого вермикулита будет медленнее, чем у крупнозернистого. Объясняется это большим влиянием конвекции в крупных межзерновых пустотах (порах) насыпного вермикулита на его теплопроводность. Например, уже при повышении температуры до 300° С теплопроводность крупнозернистого вермикулита возрастает примерно в два раза. На коэффициент теплопроводности вермикулита влияет в известной мере отражательная способность блестящих поверхностей его зерен, имеющих коэффициент излучения всего лишь 0,6 ккал/м2<ч-град, что делает его особенно эффективным материалом для высокотемпературной тепловой изоляции — до 1000—1100° С.
Зерна вспученного вермикулита обладают большой деформативностью: они легко сминаются и сжимаются, в результате чего вермикулит уплотняется. Вместе с тем в спокойном состоянии вспученный вермикулит, как правило, не дает осадки в теплоизоляционных и строительных конструкциях.
Объемный вес и прочность зерен вермикулита зависят от условий его обжига и охлаждения: при длительном нагревании вермикулита до 700—800° С и выше прочность зерен уменьшается, а это вследствие их раздавливания, приводит к увеличению объемного веса, т. е. ухудшению качества продукта обжига.
Вспученный вермикулит — прекрасный теплоизоляционный материал благодаря своей высокой пористости, большой легкости, малой теплопроводности и значительной температуростойкости.
2.1.2 Асбест
Асбест — собирательное название группы минералов, наиболее характерной общей особенностью которых является волокнистое строение и способность расщепляться на весьма тонкие и гибкие волокна.
В соответствии с классификацией минералов С. С. Четверикова асбест относится к I классу — силикатам и по основным минералогическим признакам делится на две группы: серпентина (змеевика) и амфибола (роговой обманки). Группа серпентина в свою очередь состоит из двух разновидностей: хризотила и пикролита. Амфиболовый асбест также имеет несколько разновидностей: амозит, актинолит, антофиллит, тремолит, крокидолит (голубой асбест). Из всех разновидностей асбеста самым распространенным является хризотиловый асбест. В химическом отношении асбест представляет собой гидросиликат магния. Химический состав серпентинового асбеста может быть выражен (без учета воды) примерной формулой 3Mg0-2Si02, а амфи-болового асбеста MgOSi02. Как видно из формул, серпентиновый асбест содержит больше магнезии, а амфиболовый асбест — больше кремнезема; это определяет в значительной мере свойства и области применения отдельных видов асбеста.
Наиболее ценным по своим свойствам для производства теплоизоляционных материалов является хризотиловый асбест (кратко хризотил-асбест). Он обладает большей темпер ату ростойкостью, чем амфибол-асбест.
Средний химический состав хризотил-асбеста Баженовского месторождения в %:Si02 42,1, MgO 40,8, Аl2О30,7, Fe203 1,1, FeO 0,5, Н20 конституционная 13,0, Н20 адсорбционная 1,4; органические вещества 0,4.
Вода, как видно из приведенного состава асбеста, содержится в нем в виде конституционной воды, входящей в состав молекулы асбеста, и адсорбционной воды, удерживаемой на поверхности волокон асбеста. Содержание воды и прочность связи ее с материалом в значительной мер§ определяют свойства асбеста и условия его применения.
Волокна асбеста представляют собой кристаллы моноклинной сингонии (системы).
Систематические исследования природы асбеста, начатые еще в XIX в. и продолжающиеся до настоящего времени, позволили установить строение асбестового волокна и объяснить ряд технических свойств его.
В 30-х годах американские ученые Брэгг и Уоррен, пользуясь рентгенометрическим методом, определили размеры констант кристаллографической решетки и предложили гипотезу о структуре кристаллов хризотил-асбеста.
По этой гипотезе кристаллическая структура хризотил-асбеста состоит из цепей, образованных атомами кремния и кислорода, прочная связь между которыми существует только внутри этих цепей.
Боковые связи между цепями — О — Si—О — Si — О — образуют MgO и Н20, сравнительно слабо связанные с основным скелетом этих цепей.
Основной структурой кристаллов хризотил-асбеста служит двухслойный пакет: один слой пакета — бруситовый — состоит из гидро-ксила (ОН') и иона магния (Mg'), другой — кремнекислородный. Параметры решетки кристаллов хризотил-асбеста, по измерениям Брэгга и Уоррена, равны в А: а = 14,66, b = 18,5; с = 5,3.
Позднее, в 50-х годах, Юнг и Хейли точными опытами по адсорбции хризотил-асбестом разных газов установили, что волокна асбеста имеют внутренние полости, и определили их размеры. Так, было найдено, что в среднем внешний диаметро трубки хризотил-асбеста равен—260 А, внутренний диаметр~130 А, а толщина стенки ~ 65 А.
Расщепленность асбеста на отдельные волокна и агрегаты волокон является одним из самых замечательных его свойств, что отражается в старинных русских названиях этого минерала: «каменная кудель» и «горный лен». Расщепляемость асбеста на отдельные волокна практически беспредельна. Любое асбестовое волокно, каким бы оно ни было тонким, всегда является агрегатом колоссального количества отдельных кристаллов, т. е. элементарных волокон асбеста.