Тема: Природные каменные материалы

Общие сведенья. Природные каменные материалы очень широко применяются в строительстве, благодаря своим высоким и разнообразным строительным качествам. Большинство природных каменных материалов обладает такими качествами: высокой прочностью, долговечностью, морозостойкостью и прочими необходимыми строительным материалам. Красивая текстура многих каменных материалов (мраморы, граниты, габбро, и др.) в сочетании с высокими прочностными характеристиками делает их незаменимым облицовочным материалом во всех капитальных зданиях и инженерных сооружениях. В наиболее ответственных инженерных сооружениях (например, при строительстве мостовых опор) применяют особенно прочные каменные материалы – граниты, диабазы и базальты.

Природные каменные материалы получают из горных пород. Горной породой называется минеральная масса, состоящая в основном из одного минерала или нескольких минералов.

Минералом называют вещество, представляющее собой химический элемент, химическое соединение или смесь таких соединений.

К минералам относят, например, алмаз, кварц, полевые шпаты и др.

Классификация горных пород

Различают три вида горных пород: первичные или изверженные; вторичные или осадочные; видоизмененные или метаморфические.

Первичные породы образовались из огненно-жидкой массы (магмы), излившейся из глубин Земли и при застывании затвердевшей; вторичные породы образовались в результате процесса разрушения изверженных и других пород под воздействием воды, ветра и температуры. Продукты разрушения, перемещаемые водными потоками на значительные расстояния, осаждались в местах слабого течения воды – морях и озерах – в виде пластов.

Таблица 1 – Генетическая классификация горных пород

Магматические породы	Массивные	Глубинные	Граниты, сиениты, диориты, габбро
Излившиеся (поверхностные)	Порфиры, диабазы, трахиты, базальты, порфириты, андезиты
Обломочные	Рыхлые	Вулканические пеплы, пемзы
Цементированные	Вулканические туфы
Осадочные породы	Химические осадки		Гипс, ангидрит, магнезит, доломиты, известняковые туфы
Органогенные отложения		Известняк, мел, ракушечник, диатомиты, трепелы
Механические отложения (обломочные породы)	Рыхлые	Глины, пески, гравий
Цементированные	Песчаники, конгломераты, брекчии
Метаморфические (видоизмененные)	Продукты видоизменения изверженных пород	Гнейсы
Продукты видоизменения осадочных пород	Мраморы, кварциты

Видоизмененные породы образовались в результате глубинных изменений изверженных и осадочных пород под воздействием очень больших давлений и высоких температур.

Разработка месторождений и обработка каменных материалов

Разрабатываемые месторождения каменных материалов называется карьерами.

Различают карьеры – разработка сплошных горных массивных пород (например, граниты, известняки) и карьеры рыхлых горных пород (песок, гравий и т.д.)

Разработка горной породы в зависимости от условий залегания может быть открытой или подземной. При выборе метода разработки учитывают условия залегания породы, ее качество и количество, а также характер трещин в массивах.

Разработка карьеров включает в себя следующие процессы:

1. Планировка местности с обязательным отводом атмосферных осадков, грунтовых и паводковых вод;

2. Обнажение породы и удаление пустой породы (вскрышные породы);

3. При наличии в верхнем слое породы следов выветривания – разработка и удаление его на специально отводимые площадки;

4. Отделение монолитов от массива и транспортировка их к месту дополнительной обработки;

5. Разделка монолитов на глыбы нужных размеров или переработка в определенный вид каменной продукции;

6. Сортировка готовой продукции;

7. Транспортировка к местам отгрузки (или на склад).

Широко практикуется добыча каменных материалов путем распиловки массива камнерезными машинами непосредственно на месте его залегания. Применение этих машин особенно эффективно при подземных выработках слабых или мягких пород (например, ракушечника, известняка, известковых туфов).

Для распиловки на блоки и плиты более твердых пород (мраморов, гранитов) применяют специальные пилы со стальными дисками или с абразивными порошками.

Породообразующие минералы

Среди большого разнообразия природных материалов только часть их участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов, называемых породообразуемыми, относятся кварц, полевые шпаты, слюди, карбонаты, сульфаты и железистомагнезиальные минералы.

Кварц – самый распространенный минерал земной коры: он встречается в виде кварцевого песка, кварцевого стекла, горного хрусталя, а также входит в состав многих горных пород.

Кварц (кремнезем – ) является одним из прочнейших минералов – прочность его при сжатии достигает 2000 МПа; твердость кварца равна 7; удельный вес частицы 26,5 Н/см³. Химическая стойкость высокая. Плавление кварца происходит при 1710 °С; при быстром остывании расплава образуется кварцевое стекло с удельным весом частицы – 23 Н/см³.

Глинозем ( ) занимает в составе земной коры второе место после кремнезема.

Глинозем, который находится в свободном состоянии и имеет название корунд является одним из наиболее твердых минералов и занимает 9-е место по шкале твердости, то есть непосредственно перед алмазом. Благодаря высокой твердости корунд является красивым абразивным материалом и широко применяется для измельчения и стирания других материалов.

Диаспор также является глиноземистым материалом. Это моногидрат глинозема, который содержит 85 % . Он входит в состав бокситов – тонкодисперсных горных пород, обычно красного или фиолетового цвета. В составе диаспора много глинозема – от 40 до 80 %, поэтому его используют как сырье при производстве глиноземистого цемента.

Полевые шпаты. Характерная особенность всех полевых шпатов – хорошо выраженная спайность по двум направлениями. В зависимости от угла, под которым пересекаются направления спайности (прямой или близкий к нему), различают полевые шпаты: ортоклаз, который называют также калиевым полевым шпатом ( ), и плагиоклаз. Последний подразделяют на альбит, или натриевый полевой шпат ( ) и анортит, или кальциевый полевой шпат ( ).

Полевые шпаты имеют белый, красный разных оттенков, серый или желтоватый цвет.

Удельный вес частички – 25,5–27,6 Н/см³, твердость по шкале твердости – 6, граница прочности при сжимании намного меньшее чем у кварца – от 120 до 170 МПа. Плавятся они при температуре от 1170 до 1550 °С. Применяют полевые шпаты при изготовлении фаянсовых изделий, облицовочных плиток и санитарно-технической керамики.

Слюды – это водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Характерной особенностью слюд есть легкая расщепляемость их на тонкие, гибкие и упругие листочки и пластинки. Твердость слюд находится в границах 2–3 по шкале твердости.

Наиболее часто встречаются следующие виды слюд:

1. Мусковит, с удельным весом частички – 27,6–31 Н/см³, светлая, прозрачная, тугоплавкая, химически стойкая слюда.

2. Водный алюмосиликат – каолинит ( ) представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Удельный вес частички каолинита – 26 Н/см³.

Минералы, которые входят в группу железо-магнезиальных силикатов, имеют темную окраску, вследствие чего их часто называют темноокрашенными минералами. Их удельный вес частички больше, чем у других силикатов и составляет 30-36 Н/см³; их твердость находится в границах от 5,5 до 7,5; они имеют значительную ударную вязкость.

Минералы этой группы при значительном содержании их в горных породах придают последним темный цвет и большую вязкость, то есть повышенную сопротивляемость удару.

Наиболее широкое распространение получили пироксены, амфиболы и оливин.

Пироксены. Наиболее часто встречаются глиноземные пироксены – авгиты.

Амфиболы, к которым относятся роговые обманки,– типичный минерал изверженных пород.

Оливин – минерал зеленого цвета, выделяется небольшой стойкостью: под действием разнообразных реагентов, которые обычно встречаются в природе – кислорода, двуокиси углерода и воды – он изменяется. В результате присоединения воды оливин увеличивается в объеме, переходя в змеевик, или серпентин.

Карбонаты. В особенности часто встречаются в осадочных горных породах. Важнейшим из этой группы минералов является кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит или известняковый шпат кристаллического строения, образовывает породы с разными размерами зерен – крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые. Кальцит плохо растворяется в воде (всего 0,03 г в 1 л), но быстро реагирует с кислотами. Так, под действием 10%-го _раствора соляной кислоты на кальцит, возникает "закипание" со значительным выделением .

Содержимое двуокиси углерода в воде резко повышает растворимость кальцита, так как при этом получается кислый углекислый кальцит , растворимость которого приблизительно в 100 раз большее, чем у .

Твердость кальцита по шкале твердости равна 3, удельный вес частички – 27 Н/см³.

Магнезит встречается в природе значительно реже, чем кальцит, обычно в виде землистых или плотных агрегатов, которые имеют скрытокристаллическую структуру.

Доломит представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция – . Физические свойства аналогичны магнезиту.

Сульфаты часто встречаются в осадочных породах. Важнейшими сульфатными минералами являются гипс и ангидрит.

Лекция № 3

Тема: Изверженные породы

Изверженные горные породы, называемые также магматическими, подразделяют на глубинные и излившиеся.

Глубинные породы образовались в процессе медленного остывания магмы на большой глубине от поверхности Земли при очень высокой температуре и высоком давлении. Медленное остывание магмы способствовало образованию крупных зерен различных минералов и прочно сцепленных между собой без всякого цементирующего вещества. Прочность сцепления зерен глубинных пород настолько велика, что при испытании на сжатие они разрушаются по самим зернам, а не по поверхностям сцепления. Структура таких пород называется гранитной.

Излившиеся породы образовались в результате более быстрого охлаждения магмы. излившейся в виде лавы на поверхность Земли или близко к поверхности в виде жил. Первые носят название новейших пород, вторые – древних. Быстрое остывание магмы при температурах и давлении мало отличающихся от существовавшей на поверхности Земли, препятствовало образованию крупных зерен пород. Поэтому новейшие излившиеся породы имеют скрытокристаллическую или амфорную, стекловидную структуру. Для древних излившихся пород характерна так называемая порфировая структура, где в массу мелких зерен включены крупные "вкрапленники".

Каждой глубинной горной породе соответствует излившаяся магма одинакового химического и минералогического состава.

Главной составной частью изверженных пород является кремнезем , в зависимости от содержания которого эти породы подразделяют на кислые (> 65 % ), средние (65–55 % ) и основные (< 55 % ).

Представителями глубинных пород широко применяющимися в строительстве являются: граниты, сиениты, лабрадорит, габбро и диорит.

Гранит является сложной кислой породой, одной из самых распространенных в земной коре. Состав гранита приблизительно такой: калиевого полевого шпата – (ортоклаза) – 40–70 %; кварца – 20–40 % и слюды – 5–20 %. Цвет гранита чаще всего бывает серый, серо-голубой и темно-красный.

Идеальный (объемный) вес гранита – 26–27 кН/м³; предел прочности при сжатии колеблется в пределах от 100 до 250 МПа и выше. Прочность при растя жении его составляет только от 1/40 до 1/60 предела прочности при сжатии.

По размерам зерен граниты делят на мелко-, средне- и крупнозернистые. Лучше сопротивляются механическим воздействиям мелкозернистые, чем средне- и крупнозернистые.

Благодаря невысокой пористости и малому водопоглощению (до 0,9 %) граниты морозостойки и выдерживают до 200 и более циклов замораживания и оттаивания. Граниты хорошо обрабатываются – обтесываются, шлифуются и полируются.

Месторождения гранитов имеются на Украине, в Крыму, на Кавказе, на Уралe, в Сибири и т. д.

Сиенит отличается от гранита тем, что не содержит кварца; поэтому общее содержание в нем меньше, чем в граните. Внешне сиенит напоминает граниты, но в нем менее отчетливо выражена зернистость, причем окраска его более темная. По прочности сиенит весьма близок к граниту, но менее стоек против выветривания.

Месторождения сиенита имеются на Урале, Украине и на Кавказе.

Габбро состоит из полевых шпатов (до 50 %), авгита и оливина. Структура габбро гранитная, цвет серый, темно-зеленоватый, коричнево-зеленый, черный. Удельный (объемный) вес – 29–33 кН/м³, предел прочности при сжатии – от 200 до 350 МПа. Габбро применяют для облицовки и для приготовления щебня.

Месторождения габбро имеются на Урале, Украине, Кавказе и т.д.

Лабрадорит – порода из семейства габбро, основной частью которой служит минерал Лабрадор, обладающий характерной для него иризацией – яркими переливами цветов: синего, голубого, зеленого, золотистого и др.

Лабрадорит используют в строительстве в качестве ценного и красивого облицовочного камня.

Богатое месторождение лабрадорита в Украине.

Диорит – зернистая массивная порода, состоящая на 75 % из полевых шпатов, слюды и кварца. Цвет диорита серый или темно-зеленый. Удельный (объемный) вес – 28–30 кН/м³, предел прочности при сжатии – 150–280 МПа. Диорит обладает весьма высокой вязкостью, хорошо полируется и стоек к выветриванию. Применяют его в основном для покрытия дорог и для облицовки.

Месторождения диорита известны в Карелии, на Урале, в Сибири, на Украине, в Крыму и на Кавказе.

Трахит, являющийся аналогом сиенита, представляет собой горную породу пористой структуры. Химический состав трахита такой же как у сиенита, но различного строения кристаллов. Трахит обладает невысокой прочностью при сжатии – 50–90 МПа. Окраска трахита – светло-желтая или серая. Удельный (объемный) вес 22 кН/м³. Используют трахит как заполнитель легкого бетона.

Андезит – аналог диорита, имеет черный цвет, удельный (объемный) вес – 22–27 кН/м³, предел прочности при сжатии – от 60 до 240 МПа. Более плотные и кислые андезиты применяют как кислотостойкий материал в виде облицовки.

Базальт по минералогическому и химическому составу является аналогом габбро. Структуру он имеет скрытокристаллическую с небольшим количеством вулканического стекла. Окрашен базальт в темный, иногда почти черный цвет. Благодаря большой плотности удельный вес в плотном состоянии его близок к объемному и колеблется в пер делах 27–33 кН/м³.

Вследствие высокой прочности при истирании и при сжатии (до 500 МПа), а также большой твердости базальт применяют как материал для дорожных покрытий.

Плавленый базальт, имеющий весьма высокую прочность при сжатии (до 800 МПа), применяют для изготовления кислотоупорных изделий.

Порфиры подразделяют на кварцевый порфир – аналог гранита, бескварцевый порфир – аналог сиенита и порфирит – аналог диорита. Порфиры значительно слабее сопротивляются истиранию, чем глубинные породы, удельный (объемный) вес порфиров 24–26 кН/м³, прочность при сжатии – 130–180 МПа.

Диабаз является аналогом габбро. Это – горная порода с зернами разной крупности темно-серого или зеленовато-черного цвета. Прочность его при сжатии в среднем 180–260 МПа, в отдельных случаях до 450 МПа. Обладающий большой вязкостью и сравнительно малой истираемостью диабаз применяют для изготовления каменных материалов для дорог и в качестве сырья для каменного литья.

Из расплавленного диабаза отливают при 1200–1350 °С различные изделия, учитывая стойкость плавленого диабаза к кислотам и щелочам, а также его высокие диэлектрические свойства. Прочность плавленого диабаза при сжатии возрастает до 500 МПа. Удельный (объемный) вес диабаза 28–30 кН/м³.

Пемза – весьма пористая порода: до 80 % объема её занимают поры. По структуре –это вулканическое стекло, которое образовалось при быстром охлаждении лавы на воздухе, сопровождавшемся бурным выделением из неё газов. Состоит пемза из кремнезема до 70% и глинозема до 15 %, остальные могут быть разные минералы. Цвет пемзы – серый или темно-серый. Удельный (объемный) вес пемзы в россыпи 5 кН/м³, а в куске 4–14 кН/м³. Пемза морозостойка и негигроскопична. Коэффициент теплопроводности низкий, поэтому применяется как теплоизоляционный материал.

Вулканические туфы – пористые породы, получившиеся в процессе уплотнения вулканического пепла. Туфы и пемзу используют в тонкоизмельченном виде в качестве добавок к цементу и извести.

Удельный (объемный) вес в куске 7,5–13,5 кН/м³. Пористость – 40–70 %, предел прочности при сжатии 8–19 МПа. Коэффициент теплопроводности низкий, что позволяет использовать как теплоизоляционный материал.

Осадочные горные породы

Материалом для образования осадочных пород послужили продукты разрушения горных пород различного происхождения.

Горные породы разрушаются в результате выветривания. Важнейшими факторами выветривания являются вода, ветер, температурные изменения. Вода, проникая, в трещины постепенно размывает и растворяет составные части горных пород, а при замерзании вследствие увеличения в объеме разрушает их.

В результате резких температурных изменений монолитность горных пород нарушается, они растрескиваются и происходит отделение кусков. Ветер выдувает и уносит частицы разрушенных пород. Продукты разрушения переносятся ветром и особенно текущей водой на различные расстояния.

Выветривание проявляется не только в виде физических процессов, но и как результат взаимодействия составных частей горных пород с различными веществами, находящимися в атмосфере (химическое разрушение). Так полевые шпаты под действием воды и углекислого газа разрушаются образуя минерал каолинит:

Осаждение и накопление продуктов разрушения приводит к образованию осадочных пород.

Осадочные породы делятся на следующие группы: обломочные (механические осадки), химические и органогенные.

Обломочные породы

Рыхлые обломочные породы, в соответствии с размерами обломков, подразделяют на крупнообломочные, среднеобломочные, мелкообломочные и тонкообломочные. К первым относят гравий и крупные пески с размером зерен более 2 мм; ко вторым – пески с размером зерен от 0,1 до 2 мм; к третьим пылеватые частицы размером 0,01–0,1 мм.

Тонкообломочные породы – это глины, ил, тончайшие отложения, нанесенные водой и лесс, представляющий собой нанесенные ветром отложения мельчайших зерен кварца, известняка и прочих минералов.

Обломочные породы, частицы которых связаны между собой каким-либо минеральным веществом, называют цементированными породами.

Для строительных целей чаще всего применяют из этой группы песчаники, представставляющие собой цементированные кварцевые пески. Кремнистые песчаники обладают коэффициентом прочности при сжатии до 250 МПа, удельный (объемный) вес до 27 кН/м³.