Горные породы и минералы

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов дневного и заочного отделения специальностей 2903(ПГС) и 2915(ЭиУН).

г.Набережные Челны

2003 г

Горные породы и минералы: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов дневного и заочного отделения специальностей 2903(ПГС) и 2915(ЭиУН)./Составители: Антонов В. Г., Крутова В. Н. Набережные Челны: КамПИ,2003,38с.

Целью лабораторной работы является ознакомление студентов с основными минералами, классификацией горных пород, представителями каждой группы пород, применяемых в строительстве.

Рецензент В. А. Чернов

Печатается по решению редакционно-издательского совета камского государственного политехнического института от…………….2003 года

Камский государственный политехнический институт, 2003

1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природные каменные материалы широко применяются в строительстве благодаря своим разнообразным строительным качествам. Большинство строительных материалов обладает большой прочностью, долговечностью и другими качествами, необходимыми при строительстве. Красивая текстура многих природных материалов в сочетании с высокой прочностью делает эти материалы облицовочными. Особенно прочные каменные материалы – граниты, диориты, базальты.

Природные каменные материалы получают из каменных природных пород, входящих в состав земной коры. Каждая природная порода представляет собой совокупность различных минералов, является продуктом физико-химических природных процессов.

Горной породой называется минеральная масса – агрегат минералов. В зависимости от однородности различают простые, т.е. состоящие из одного какого-либо минерала, и составные, состоящие из ряда минералов.

Некоторые горные породы в больших количествах применяются при производстве строительных материалов. Так при производстве портландцемента используются известняк, глина, мел, мергель; для производства извести используется известняк, при выработке гипса – природный гипсовый камень и т.п.

Некоторые природные материалы, обладающие небольшой плотностью применяются как теплоизолирующие. К таким породам относят циодамит, трепел и другие. В строительстве природные материалы используются без обработки /гравий, песок/ или подвергаются механической обработке /дроблению, распиливанию, обтёсыванию и шлифованию/, получая щебень, плиты, штучные камни, различные архитектурно-декоративные детали.

Горные породы являются также основным сырьём для получения минеральных вяжущих веществ: гипса, цементов и в производстве искусственных каменных материалов – кирпича, стекла, изделий из бетонов и растворов.

Горные породы /гранит, известняк, мрамор и др./ образуют твердую часть земной коры – литосферу. Добывают их главным образом для использования в строительстве в качестве естественных каменных материалов, а также как сырьё для получения различных искусственных материалов.

Минерал – это вещество, представляющее собой химический элемент, химическое соединение или смесь соединений. Он является продуктом физико-химических природных процессов или жизнедеятельности животных и растительных организмов. Это вещество имеет более или менее однородный химический состав и физические свойства. К минералам относятся, например, алмаз, кварц, ортоклаз и др.

2.КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Земная кора в результате вулканических извержений на протяжении многих миллионов лет претерпевала большие изменения; в ней происходили различные породообразующие процессы, в результате чего и возникли различные горные породы.

По условиям образования горные породы подразделяют на следующие три основные группы:

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Изверженные Осадочные Метаморфические

/магматические /вторичные /видоиз-

или первичные/ или пластовые/ менённые/

Такое разделение горных пород вызвано различными условиями их образования.

Первичные породы образовались из огненно-жидкой массы /магмы/, излившейся из глубин Земли и при остывании затвердевшей.

Вторичные породы /называемые также пластовыми/ образовались также в результате разрушения изверженных пород под воздействием воды, ветра и температуры. Продукты разрушения, перемещаемые водными потоками на значительное расстояние, осаждались в местах слабого течения воды в морях и озерах в виде пластов. В дальнейшем они перемещались при движении ледников и под воздействием ветра.

Образование пластов также происходило в результате осаждения растворимых в воде минеральных веществ и продуктов их разрушения. В состав вторичных /осадочных/ пород входят также минеральные вещества – продукты жизнедеятельности животных и растительных организмов, населявших водные бассейны.

Видоизмененные /метаморфические/ породы образовались в результате глубоких изменений изверженных и осадочных пород под воздействием очень высоких температур и больших давлений. Протекающие в этих условиях физико-химические процессы видоизменяют химический и минералогический состав пород, происходит перекристаллизация минералов. Образуются новые минералы, отличающиеся от первоначальных.

В основу геологической классификации горных пород легли работы академиков Ф.Ю.Левинсона-Лессинга, А.П.Карпинского и др.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Изверженные Осадочные Метаморфические

/магматические /вторичные /видоизмененные/

или первичные/ или пластовые/

ИЗВЕРЖЕННЫЕ ПОРОДЫ

Глубинные:	Излившиеся:	Обломочные:
рыхлые:	цементированные:
сиениты диориты габбро лабрадорит граниты	диабазы трахиты порфириты андезиты базальт порфиры	Вулканические пеплы, пемзы	Вулканические туфы

ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ

Химические осадки:	Органогенные отложения:	Механические отложения:
рыхлые	Цементированные:
гипс ангидрит магнезит доломиты известковые туфы	известняки трепелы ракушечник диатомиты Мел	глины пески гравий	песчаники конгломераты брекчии

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ

Продукты видоизменения Продукты видоизменения

изверженных пород осадочных пород

гнейсы мраморы

кварциты

сланцы

Прежде, чем перейти к изучению горных пород, необходимо ознакомиться с важнейшими породообразующими минералами.

3.ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

Среди большого разнообразия природных минералов только часть их участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов относится: кварц, полевые шпаты, слюда, карбонаты, сульфаты.

От минерального состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются прочностью, твердостью и химической стойкостью, другие – незначительной прочностью, недостаточной химической стойкостью, способностью значительно поглощать воду. Отдельные минералы обладают способностью легко расслаиваться по направлениям, понижая этим прочность породы, в состав которой они входят.

Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначения образованных пород в строительстве.

Большинство минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой.

Многие минералы анизотропны, т.е. физические свойства их – теплопроводность, линейное расширение – различны по разным направлениям – кристаллографическим осям.

В отличие от кристаллических аморфные минералы /опал, трепел/ изотропны, т.е. физические свойства их одинаковы по любому направлению.

Некоторые минералы обладают спайностью, т.е. сравнительно легко разделяются по одному направлению или нескольким. Плоскости раскола, которые называют плоскостями спайности, бывают ровные и блестящие.

Ниже приведена краткая характеристика важнейших породообразующих минералов.

3.1.Группа кварца

В наибольшем количестве в земной коре /литосфере/ содержится свободный кремниевый ангидрид или, кремнезём SiO₂. В состав большинства минералов он входит в виде силикатов – химических соединений с основными окислами. Свободный природный кристаллический кремнезем встречается в виде кварца – одного из более распространенных в земной коре минералов. Его кристаллы имеют форму шестигранных призм с шестигранными же пирамидами на концах. Кварц обычно непрозрачен, чаще белого молочного цвета. Спайность кварца отсутствует.

С щелочами при обычной температуре не взаимодействует, но в среде насыщенного пара или при Т=150-200 ^оС он вступает с Ca(OH)₂ в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются для получения искусственных материалов из смеси кварцевого песка и извести. Кварц имеет высокую прочность. Истинная плотность кварца 2,65 г/см3; твердость 7 по шкале твердости. Кварц имеет высокую прочность при сжатии /около 2 103 МПа/ и хорошо сопротивляется действию истирания. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при Т=575 ^оС кварц из - модификации переходит в - модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%.

При Т=870 ^оС - модификация начинает переходить в тридимит /плотность 2,26/, значительно увеличиваясь в объеме.

Все температурные превращения кварца можно представить схемой

Кварц находится в природе как в виде самостоятельной горные породы /кварцевых песков, горного хрусталя, аметиста /лилового цвета/, топаза /буровато-дымчатого цвета/, сапфира /синеватого цвета/, так и может входить в состав полиминеральных горных пород.

Белый, серый, мутный или совершенно непрозрачный жильный кварц служит наряду с полевым шпатом – сырьем для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий, а также применяется в качестве прибавки при плавке руд /облегчает плавку и уходит в шлак/.

В природе встречается минерал опал аморфной структуры, представляющий гидрат кремнезема /SiO₂×nH₂O/; аморфный кремнезем, в отличие от кристаллического, активен, может, например, соединяться с известью при нормальной температуре /применяется при изготовлении смешанных вяжущих веществ/.

3.2. Группа алюмосиликатов

Второе место после кремнезема в земной коре занимает глинозем Al₂O­₃. свободный глинозем в природе встречается в виде минералов корунда и других глиноземных материалов.

3.2.1. Корунд является одним из наиболее твердых минералов, занимающим девятое место по шкале твердости, т.е. непосредственно перед алмазом. Благодаря высокой твердости корунд является отличным абразивом и широко применяется для измельчения и истирания других материалов.

Весьма распространенный абразивный материал – наждак, он является смесью мелкозернистого корунда и других достаточно твердых материалов/кварцев, например/. Корунд используется для производства высокоогнеупорных материалов.

Другой глиноземный материал – диаспор представляет собой моногидрат глинозема Al₂O₃×H₂O, содержит 85% Al₂O₃. Диаспор входит в состав бокситов тонкодисперсных горных пород часто красного или фиолетового цвета, богатых глиноземом /40-80%/ и используемых как сырье для производства глиноземистого цемента. Бокситы являются полигидратами глинозема. Их состав выражается формулой Al₂O₃×nH₂O, где n=1, 2, 3…

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемыми алюмосиликатами. Наиболее распространенными алюмосиликатами в земной коре являются полевые шпаты, которые составляют по массе более половины всей литосферы.

3.2.2. Полевые шпаты. Характерная особенность полевых шпатов – хорошо выраженная спайность по двум направлениям. В зависимости от угла, под которым пересекаются направления спайности, различают полевые шпаты: ортоклазы – K₂O×Al₂O₃×6SiO₂ – прямораскалывающиеся минералы, и плагиоклазы – косораскалывающиеся минералы. К последним относится альбит /белый/ Na₂O×Al₂O₃×6SiO₂ и анортит CaO×Al₂O₃×2SiO₂.

Полевые шпаты имеют белый, розовый, красный, желтый цвет.

Полевые шпаты имеют предел прочности при сжатии 120-170 МПа, истинная плотность от 2,5 /ортоклаз/ до 2,76 /анортит/. Полевые шпаты легко выветриваются, т.е. разрушаются под действием атмосферных агентов – влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности – каолинит Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂О, входящий в состав глин, а иногда и кальцит /CaCO₃/.

3.2.3. Слюды – водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде окиси магния и железа, вследствие чего слюда биотит непрозрачна и имеет темный, а иногда черный цвет; мусковит – прозрачен, так как он не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие, упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Истинная плотность мусковита 2,76-3,1 г/см³, а биотита 2,8-3,2 г/см³, твердость 2-3 по шкале твердости.

Биотит входит в состав многих изверженных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Мусковит встречается в изверженных и осадочных породах. Химический состав:

биотита: К(Fe,Mg)₃(OH,F)₂(AlSi₃O₁₀)

мусковита: KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂.

В результате окисления и гидратации биотита образуется вермикулит – гидрослюда золотисто-бурого цвета, при прокаливании теряющая воду и увеличивающаяся в объеме в 18-25 раз. Обожженный вермикулит, называемый зонодитом, используется в качестве теплоизоляционного материала.

3.2.4. Каолинит, или водный алюмосиликат Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂О, представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Каолинит обычно встречается в виде белых или оранжевых рыхлых землистых или плотных масс. Истинная плотность каолинита 2,6 г/см³. Будучи самым мягким минералом /по шкале твердости - 1/, каолинит является основной частью глин, обладая высокими пластическими свойствами; применяется в производстве фарфора.

4. ГРУППА ЖЕЛЕЗИСТО-МАГНЕЗИАЛЬНЫХ

СИЛИКАТОВ

Минералы, входящие в эту группу, имеют темную, зеленую, бурую, а иногда и черную окраску. Поэтому их часто называют темноокрашенными минералами. Истинная плотность их 3,0-3,6 г/см³, твердость находится в пределах 5,5-7,5; они обладают значительной вязкостью. При большом содержании в горных породах они придают последней темный цвет, большую вязкость, т.е. повышенную сопротивляемость удару. Наиболее распространенными породо-образующими минералами железисто-магнезиальной группы являются амфиболы, пироксены и оливины.

Из группы амфиболов более распространенной является порода роговая обманка. Встречается в виде столбчатых кристаллов черного цвета с зеленоватым или коричневатым оттенком. Твердость роговой обманки по Моосу 5-6.

Минералы группы пироксенов, к которым относится авгит, весьма близки по химическому составу к амфиболам. Авгит также часто входит в состав изверженных пород, преимущественно темных, таких, как габбро, диабаз, базальт. Минералы амфиболы и пироксены атмосферостойки. А свойственная им вязкость повышает прочность горных пород на удар.

В группу темноокрашенных минералов входит также оливин – минерал оливково-зеленоватого цвета. В состав оливина входят силикат железа и магния /без глинозема/. Твердость по Моосу этого минерала – 7. В горных породах может содержаться в качестве составной части или в качестве массивов, почти целиком состоящих из этого минерала. Оливин малостоек и легко выветривается; увеличиваясь в объеме, он переходит в минерал – серпентин /змеевик/; одна из разновидностей серпентина имеет волокнистое строение /волокна длиной до 50 м/ и называется хризотил-асбестом или горным льном. Он состоит из тонких волокон, химический состав асбеста Mg[Si₄O₁₀](OH)₈. Его широко применяют в асбестоцементной промышленности и в производстве теплоизолирующих материалов.

5.ГРУППА КАРБОНАТОВ

В осадочных горных породах наиболее часто встречаются породообразующие карбонатные материалы /карбонаты/, важнейшие из них кальцит, магнезит, доломит.

5.1.Кальцит, или кристаллический известковый шпат CaCO₃, - один из самых распространенных минералов земной коры. Он обладает совершенной спайностью, легко раскалывается по плоскостям спайности по трем направлениям, имеет плотность 2,7 и твердость 3 по шкале твердости. Кальцит слабо растворим в чистой воде /0,03г на 1л воды/, но растворимость его резко возрастает при содержании в воде СО₂, т.к. образуется кислый углекислый кальций Са(НСО₃)₂, растворимость которого почти в сто раз больше, чем кальцита. Бурно реагирует с кислотами, выделяя СО₂. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы, которые встречаются как в форме кристаллов и зерен, так и в виде монолитной массы. Кристаллы кальцита очень красивы. Этот минерал может быть бесцветным или окрашенным примесями в различные цвета: розовый, желтый, темно-серый и черный. Прозрачная разновидность его называется исландским шпатом. Он обладает свойствами двойного лучепреломления, что используется в оптике.

Кальцит хорошо цементирует зерна песка, образуя при этом прочный известняковый песчаник.

5.2.Магнезит – MgCO₃ встречается, в отличие от кальцита, в природе значительно реже; истинная плотность магнезита 2,9-3,1 г/см³, твердость по Моосу 3,5-4,5. В кислотах он растворяется лишь при нагревании. Цвет его может быть от нежно-белого до белого с розовыми или желтоватыми оттенками. Образует землистые или плотные агрегаты, имеющие скрытокристаллическую структуру.

Магнезит используется в качестве сырья для производства магнезиального вяжущего вещества для производства огнеупорных изделий.

5.3.Доломит – карбонатная горная порода, представляющая двойную углекислую соль СаСО₃×МgСО₃. По сравнению с кальцитом доломит более тверд, прочен и менее растворим в воде. Цвет доломита серовато-белый, иногда с желтоватым, зеленоватым и буровато-красным оттенком. Истинная плотность его 2,9 г/см³, твердость по Моосу 3,5-4. применяется доломит для производства магнезиальных вяжущих веществ, щебня, бутового камня и в качестве облицовочных плит. Доломит отличается долговечностью.

6.ГРУППА СУЛЬФАТОВ

Сульфатные минералы /сульфаты/ так же, как и карбонаты, часто встречаются в горных породах важнейшие из них гипс и ангидрит.

6.1.Гипс (СаSO₄×2H₂O) типичный минерал осадочных пород. Строение его кристаллическое, иногда мелкозернистое, кристаллы пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Встречается гипс преимущественно в виде сплошных зернистых, волокнистых и горных пород вместе с глинами, сланцами, каменной солью и ангидритом. Гипс имеет белый цвет, иногда бывает прозрачен или окрашен примесями в различные цвета. Истинная плотность его 2,3 г/см³, твердость 2. В воде гипс растворяется сравнительно легко: при 32-41⁰С растворимость его в 7,5раз больше, чем кальцита /2,25 г/л /. Крупные кристаллы гипса раскалываются по плоскостям спайности на тонкие пластинки. Волокнистая разновидность полупрозрачного гипса с шелковистым блеском называется селенитом, который идет на художественные поделки. Плотный белый гипс называется алебастром.

Гипс минерал, а также гипсовые горные породы используют для получения строительного гипса. Некоторые разновидности гипса обладают повышенной плотностью, и используется для производства облицовочных плиток для интерьеров.

6.2. Ангидрит CaSO₄ относится также к числу сульфатных минералов и отличается от гипса тем, что в нем отсутствует химически связанная кристаллизационная вода. Внешне он похож на гипс, т.е. имеет в основном белый цвет с голубым оттенком, но иногда бывает серым или красноватым. Истинная плотность ангидрита 2,8-3,0 г/см³, твердость по Моосу 3-3,5. тонкозернистый ангидрит голубоватых оттенков называют бергамским мрамором. При насыщении водой этот минерал увеличивается в объеме и постепенно переходит в гипс. Применяют его для различных художественных поделок и для производства ангидритного вяжущего вещества.

7. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы классифицируются на:

изверженные осадочные метаморфические

7.1. Изверженные горные породы

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земли и отвердевшей при остывании. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных пород с различным строением и свойствами. В общих случаях магма не вышла на поверхность земли, а застыла под ее верхними слоями – так образовались глубинные горные породы. В других случаях магма извергалась и застывала на поверхности земли – так образовались излившиеся горные породы.

7.1.1. Глубинные или интрузивные породы, образование которых произошло под значительным давлением верхних слоев, остывали медленно и сравнительно равномерно. Такие условия были благоприятными для кристаллизации минералов, составляющих горные породы. В связи с этим глубинные породы массивны, плотны и состоят обычно из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов. Они обладают большей плотностью, высокой прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглощением и большой теплопроводностью. Глубинные породы имеют зернистое кристаллическое строение и залегают в виде отдельных гнезд.

7.1.2. Излившиеся, или эффузивные 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 давлениях, мало отличающихся от существовавшей на поверхности земли, препятствовало образованию крупных зерен пород. Поэтому новейшие излившиеся горные породы имеют скрытокристаллическую или аморфную стекловидную структуру. Для древних излившихся пород характерна так называемая порфировая структура, где в массу мелких зерен включены крупные “вкрапления”. Излившиеся породы имеют пластообразную форму покровов большой мощности или конусов, куполов, жил и др.

Главной частью изверженных пород является кремнезем, в зависимости от содержания которого эти породы делятся на кислые /более 65% SiO₂/, средние /55-65% SiO₂/ и основные /менее 55% SiO₂/.

Главнейшими глубинными породами, издавна применявшимися в строительстве, являются граниты, сиениты, лабрадорит и габбро.

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%, слюды /мусковита или биотита/ - 5-20%. Цвет чаще всего бывает серый, серо-голубой и темно-красный, что определяется большим содержанием в нем ортоклаза и наличием темноокрашенных минералов.

Средняя плотность гранита 2,5-2,9 г/см³, предел прочности при сжатии колеблется в пределах от 100 до 300 МПа.

Прочность при растяжении его составляет только 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Лучшими строительными свойствами обладают граниты, содержащие больше кварца и меньше слюды. По размерам зерен граниты делят на мелко-, средне- и крупнозернистые. Лучше сопротивляются механическим воздействиям мелкозернистые граниты: они равномернее изнашиваются при истирании, устойчивее против выветривания и меньше растрескиваются при нагревании, чем средне- и крупнозернистые.

Благодаря невысокой пористости и малому водопоглощению /в пределах 0,9%/ граниты морозостойки и выдерживают до 200 и более циклов замораживания и оттаивания. Их применяют для производства облицовочных плит, при возведении устоев мостов, лестничных ступеней, полов, бортовых камней, щебня и др. Гранит используется при строительстве гидротехнических сооружений и сооружений памятников.

Месторождения гранитов имеются на Кольском полуострове, в Карелии, на Урале, в Сибири, Средней Азии, на побережье Азовского моря, в юго-западной части Украины, в Крыму, на Кавказе.

Сиенит состоит в основном из полевого шпата /ортоклаза/ и какого-нибудь темноокрашенного минерала и, в отличие от гранита, не содержит кварцита. Строение сиенита схоже со строением гранита, но в нем менее отчетливо выражена зернистость, причем окраска его более темная. По прочности сиенит весьма близок к граниту, но менее стоек против выветривания. Средняя плотность 2,7-2,9 г/см³, предел прочности при сжатии 100-250 МПа. Цвет сиенита – белый, светло-розовый, красный. Сиениты, содержащие небольшое количество кварца, называются граносиенитами. Используются они иногда для облицовки зданий, а в основном – как щебень для бетона.

Месторождения сиенита имеются на Урале, в юго-западной части Украины и на Кавказе. Встречаются сиениты значительно реже, чем граниты.

Габбро состоит из полевых шпатов, авгита и оливина. Структура габбро гранитная, цвет серый, темно-зеленоватый, коричнево-зеленый или черный. Средняя плотность его находится в пределах 2,9-3,1 г/см³, предел прочности при сжатии от 100 до 300 МПа. Габбро применяют при облицовке, для укрепления набережных и приготовления щебня.

Габбро стоек против выветривания, трудно обрабатывается, но дает хорошую долговечную полировку. Применяют его для гидротехнических и других видов сооружений в виде разнообразных строительных материалов – щебня, облицовочных плит и т.д.

Лабрадорит – порода из семейства габбро, основной составной частью которой служит минерал лабрадор, обладающий ярким переливанием цветов: синего, голубого, зеленовато-золотистого и др. в декоративных лабрадоритах ирризирующие кристаллы имеет размеры 10-12 см. лабрадорит, обладающий красивой расцветкой, применяется как облицовочный материал. Им отделаны мавзолей В. И. Ленина, колонны библиотеки им. Ленина, уникальные здания и сооружения.

Богатые месторождения лабрадорита имеются на Украине.

Диорит – массивная зернистая порода, состоящая на 75% из полевых шпатов /плагиоклазов/, в ней содержится также роговая обманка, авгит и биотит, иногда кварц. В зависимости от минерального состава цвет диоритов может быть серо- или темно-зеленоватых тонов. Средняя плотность их 2,8-3,0 г/см³. прочность диоритов при сжатии находится в пределах от 150 до 300 МПа, твердость по Моосу – 6. диорит обладает весьма высокой вязкостью, хорошо полируется и стоек к выветриванию. Применяют его в основном для покрытия дорог и реже для облицовки. Месторождения диорита известны в Карелии, на Украине, Урале, в Сибири, Крыму и на Кавказе.

Из излившихся /эффузивных/ горных пород наибольшее применение в строительстве нашли: из группы новейших излившихся пород – трахит, андезит, базальт; из группы древних излившихся пород – порфиры и диабаз.

Трахит – горная порода по химико-минералогическому составу сходная с сиенитами, но образовавшаяся в более поздние геологические периоды. Трахит отличается пористостью и относительно низким пределом прочности при сжатии 60-70 МПа; также невелико его сопротивление истиранию и выветриванию. Окраска трахита светло-желтая или серая, средняя плотность его 2,2 г/см³. В строительстве применяется как стеновой материал и как заполнитель /щебень/ для бетонов. Трахит сильно изнашивается при истирании, а его сопротивляемость выветриванию низка. На Кавказе имеются разновидности трахитов, в том числе бештаунит, часто используемый в качестве заполнителя для кислотостойких бетонов, как обладающий высокой кислотостойкостью.

Андезит – аналог диорита, имеет черный цвет, средняя плотность его 2,2-2,7 г/см³, предел прочности при сжатии от 60 до 240 МПа. Более кислые и плотные андезиты применяются как кислотостойкий материал в виде облицовочных плит для химических производств и щебня для кислотоупорного бетона. Некоторые андезиты пористы; от трахитов они сильно отличаются большим содержанием темноокрашенных минералов. Месторождения андезита имеются на Кавказе.

Базальт – по минералогическому и химическому составу является аналогом габбро. Структуру он имеет скрытокристаллическую, очень плотную, с небольшим количеством вулканического стекла, состоит из плагиоклаза и авгита. Окрашен базальт в темный, иногда почти в черный цвет. Плотность 2,7-3,3 г/см³. вследствие высокой пористости, прочности при истирании и при сжатии /до 500МПа/, а также большой твердости /по Моосу/ базальт применяют как материал для дорожных покрытий, в качестве щебня, тяжелых бетонов, а также при изготовлении каменного литья /плавление и литье идет при 1400⁰С/.

Плавленый базальт, имеющий весьма высокую прочность, при сжатии /до 80 МПа/, применяют для изготовления кислотоупорных литых изделий – аппаратуры, труб и облицовочный плиточных материалов. Большая твердость и хрупкость базальта затрудняют его механическую обработку и снижает возможность его применения в строительстве; к тому же, наличие трещин сильно снижает прочность базальта.

Месторождения базальта имеются на Дальнем Востоке, Кавказе и других местах.

Порфиры подразделяют на: кварцевый порфир – аналог гранита, бескварцевый порфир – аналог сиенита и порфирит – аналог диорита.

ПОРФИРЫ

кварцевый бескварцевый порфирит

порфир порфир

Строительные свойства порфиров близки к свойствам глубинных пород, но вследствие неравномерности структуры и наличия «вкрапленников» /чаще крупные зерна полевого шпата/, стойкость их к выветриванию ниже и верхние слои в месторождениях часто бывают выветренными. Порфиры значительно слабее сопротивляются истиранию, чем глубинные породы. Применяют в строительстве более других разновидностей кварцевый порфир, обладающий достаточно высокой прочностью при сжатии /130-180 МПа/. Плотность его составляет 2,-2,6 г/см³.

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

Из расплавленного диабаза отливают при 1200-1350⁰С 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.

Плотность его составляет 2,8-3,0 г/см³.

7.1.3. К изверженным горным породам, кроме указанных массивных, относятся обломочные породы – продукт переотложения и цементации рыхлого материала, выбрасываемого вулканами.

ОБЛОМОЧНЫЕ ПОРОДЫ

Рыхлые Цементированные

вулканические: вулканические:

пеплы туфы и

пески трассы

пемза

Вулканическими пеплами называют неправильной формы порошкообразные частицы вулканической лавы размером до 2 мм, выброшенной в раздробленном состоянии; более крупные частицы называются вулканическими песками. Цвет – от серого до черного. Применяется пепел для получения легких растворов и бетонов, а также в качестве активной минеральной добавки к вяжущим веществам.

Пемза образуется при быстром остывании магмы и интенсивном выделении газов, вспучивающих массу. Последующее быстрое охлаждение приводит к образовании пористой стекловидной породы. Цвет пемзы – серый, черный, иногда и белый /похожий на пену/.предел прочности пемзы от 0,2 до 1,4 МПа.

Средняя плотность от 0,3 до 0,6 г/см³, истинная плотность – 2,5 г/см³. пористость до 80%, твердость – 6.

Пемза состоит из кремнезема SiO₂ /до 70%/ и глинозема Al₂O₃ /15%/.пемза залегает в виде обломков размером 5-50 мм в диаметре, выброшенных во время извержения вулканов. Она применяется как щебень для легких бетонов, в качестве теплоизолирующего материала, абразива /в частности, в малярных работах для зачистки шпаклевочных поверхностей под масляную окраску/. Пемзу применят также как активную минеральную добавку к извести и цементу. Месторождения пемзы имеются в Армении, на Северном Кавказе и на Камчатке.

Вулканические туфы. При вулканических извержениях к жидкой лаве примешивались пеплы и пески, образуя туфовую лаву. Сцементированная туфовая лава называется вулканическим туфом. В результате быстрого охлаждения туфы имеют стекловидное строение. Средняя плотность туфа в куске 1,25-1,35 г/см³, пористость 40-70%, предел прочности при сжатии 6-10 МПа. Цвет – розовато-фиолетовый, различных оттенков. Туф обладает высокой морозостойкостью.

Применяют туф в качестве песка или щебня для легких бетонов и растворов, крупных стеновых блоков, а также в качестве активной добавки к воздушной извести или цементу. Высокие декоративные качества и морозостойкость позволяют широко применять туф в качестве облицовочного материала для фасадов зданий, а также из него выпиливают камни правильной формы для кладки стен.

Наиболее обширными запасами туфа располагает месторождение в Армении вблизи Ленинокана. Этот туф носит название Артикского. Туф отличается большим разнообразием цветов – от ярко-красного и светло-желтого до темноватого и черного. Легкость обработки этого камня позволяет выполнять на нем декоративные орнаменты, которыми славятся как древняя, так и современная архитектура Армении.

Кроме Армении, залежи туфа имеются также в ряде районов Грузии и на Дальнем Востоке. Красивым желтовато-оранжевым цветом отличается грузинский, так называемый болнинский туф.

К более уплотненным вулканическим туфам относятся трассы.

7.2. Осадочные горные породы /пластовые/

Образовались при осаждении веществ из какой-либо среды, главным образом водной. Осаждение происходило периодами в виде отдельных слоев и пластов. По характеру образования и составу осадочные горные породы делятся на три группы:

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

химические органогенные механические

Породы химического происхождения – химические осадки, представляют собой горные породы, образовавшиеся при осаждении минеральных веществ из водных растворов с последующим их уплотнением и цементацией. К химическим осадочным породам относятся гипс, ангидрит, магнезит, доломит и известковые туфы.

Гипс – горная порода, состоящая из минерала того же названия. Гипс применяется для производства воздушных вяжущих – строительного гипса, а также в качестве облицовочного материала внутренних частей зданий в виде искусственного мрамора. Крупные месторождения гипса находятся на Урале, в Башкирии, Татарстане, на Украине, в Нижнем Новгороде.

Ангидрит состоит из одноименного минерала – ангидрита, применяется в качестве облицовочного материала; тонкозернистый. Ангидрит голубоватых оттенков называют бергамским мрамором.

При насыщении водой этот минерал увеличивается в объеме. Применяют его для различных художественных поделок и для производства ангидритного вяжущего вещества. Внешне ангидрит заметно отличается от гипса и залегает обычно вместе с ним.

Магнезит – состоит из минерала того же названия – магнезита MgCO₃. Иногда он содержит примеси углекислых калия и железа. Применяется магнезит в качестве сырья для производства воздушного вяжущего – каустического магнезита и огнеупорных материалов.

Богатое месторождение магнезитов имеется на Урале.

Известковые туфы – образовались при выделении углекислого кальция, растворенного в подземных горячих и холодных водах. Очень пористые известковые туфы используются как материал для декоративных построек и как сырье для производства извести. А плотные – для наружной облицовки зданий, в виде штучных камней для кладки стен и в качестве щебня для легких бетонов.

7.2.2. Породы органогенного происхождения

Органогенные породы образовались в результате жизнедеятельности и отмирания организмов, находящихся в морских и пресных водах. К органогенным относятся различные карбонатные и кремни­стые породы. Для строительных целей используют породы, в кото­рых основным веществом является кальцит /известняки, известняки-ракушечники и мел/, а также диатомиты и трепелы, в которых основ­ным веществом служит водный кремнезем.

Известняки, состоящие главным образом из кальцита, образо­вались в морских бассейнах в основном из остатков животного ми­ра /ракушки/. Их называют зоогенными породами.

Известняки, образовавшиеся из остатков растительного мира, носят название фитогенных пород. Известняки могли также образова­ться вследствие выпадания из раствора углекислого кальция, кото­рый и цементировал рыхлые скопления раковин и их обломков, уплот­ненных давлением воды, в достаточно прочную породу.

Известняк является одним из распространенных видов осадочных пород. Кроме кальцита, в состав известняков входят глинозем, ма­гнезит и иногда - в небольшом количестве - органические вещества. Средняя плотность известняков 1,7-2,5 г/см³, твердость по Моосу равна 3.

Известняки обычно бывают белыми, но наличие примесей окиси железа, кварца, глинистых и органогенных веществ придает им раз­личные оттенки: серый, желтоватый, розоватый.

В зависимости от условий образования известняки бывают плотные и пористые.

Качество известняков может снижаться при наличии в них большого количества примесей - глины и пирита. Так, при содержании более 3% глины, известняки становятся влагоемкими и недостаточно морозостойкими. Примеси MgCO₃, SiO₂, наоборот, повышают твердо­сть известняков. Весьма плотными известняками являются диатомитизированные и мраморовидные, в которых начался процесс кристалли­зации и заметно кристаллическое строение.

К наиболее прочным и стойким известнякам относятся известняково-кремнистые, содержащие аморфный кремнезем. Такие известня­ки обладают повышенной твердостью и прочностью, что затрудняет их механическую обработку.

Средняя плотность известняков колеблется в пределах 1,7-2,6 г/см³. При содержании в известняках не менее 98% СаСО₃ их называют чистыми, если же СаСО₃ содержится не менее 90% - мергелистыми. Предел прочности известняков при сжатии от 8 до 200 МПа, в зависимости от плотности и состава.

Залегают известняки обычно пластами, разделенными прослойка­ми глинисто-суглинных и песчаных пород, Месторождения известня­ков имеются в Молдавии, Крыму, на Кавказе.

Также известняки широко применяются для кладки фундаментов и стен /бутовая кладка/, для устройства лестничных ступеней, по­доконников, облицовочных плит и других архитектурных деталей, облицовки стен зданий, цоколей, карнизов и т.п.

Известняковый щебень используется в качестве заполнителя - для производства тяжелых бетонов. Известняк служит для производ­ства вяжущих веществ, воздушной и гидравлической извести, порт­ландцемента и др.

Мергели представляют собой тонкую природную механическую смесь известняка и глины в разных соотношениях; строение имеют от землистого до плотного, прочность небольшую, легко выветриваются. При содержании СаСО₃ не менее 75% мергели называют известняковыми, не менее 40% - просто мергелями и не менее 10% - глинистыми мер­гелями. Мергели определенного состава используют для изготовления портландцемента.

Переходные породы от известняков к мраморам называются мраморовидными известняками. При исследовании их под микроскопом среди массы равномерной плотности явно видны кристаллические зерна известкового шпата /кальцита/. Ввиду наличия большого количества пор они слабо полируются.

К числу пористых известняков относятся: ракушечник, известковые туфы.

Мел - представляет собой мельчайше остатки раковин простей­ших организмов. Это землистая горная порода, состоящая почти из чистого карбоната кальция. В качестве примесей встречаются глина и зерна кварца. Мел обладает высокой дисперсивностью. Цвет его белый. Применяется в качестве белого пигмента для приготовления шпаклевок, замазок, а также при производстве извести, портланд­цемента и стекла.

Ракушечник - представляет собой сцементированные углекислым кальцием /с примесью кремнезема и глины/ раковины и их обломки. Структура крупнозернистая. Средняя плотность 0,0-2,0 г/см³, пре­дел прочности при сжатии 0,4-15 МПа и более.

Месторождения ракушечника находятся на побережье Черного и Каспийского морей, в Молдавии.

Ракушечник является хорошим местным стеновым материалом для строительства жилых домов. В зависимости от прочности раку­шечник используется для устройства стен, фундаментов и цоколя зданий. Учитывая большую пористость, а следовательно, высокое водопоглощение и воздухопоглощаемость, стены из ракушечника, как правило, оштукатуриваются.

Трепелы и диатомиты - представляют собой богатые кремнеземом, слабо или вовсе нецементированные, рыхлые или землистые массы белого, желтого, серого, розового цвета.

Трепел является породой более раннего происхождения, в ко­торой образующие ее панцири диатомитовых водорослей превратились в мельчайшие зерна опала, сцементированные опаловым цементом. С течением времени под давлением вышележащих слоев трепел превра­тился в плотную, прочную, трудно размокаемую породу - опоку, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема.

Диатомиты - это породы, тоже образовавшиеся из панцирей диатомитовых водорослей, но более позднего происхождения. После отмирания растений панцири оставались на дне водоемов /соленых и пресных/ и уплотнялись вместе с осаждавшимися между ними пластичными материалами - тончайшим илом и глиной. В небольших коли­чествах в диатомитах содержатся глинистые вещества, зерна кварца, иногда полевого шпата, иногда гипса и кальцита, поэтому их состав может отличаться в различных месторождениях.

Как трепел, так и диатомит имеют почти одинаковый хим­ический состав и близкие физические свойства. Средняя плотность в пределах 0,35-0,95 г/см³, теплопроводность 0,15-0,20 Вт/м⁰С. Высшие сорта этих пород, применяемых в строительстве, содержат не менее 96% СаСО₃ /трепел/ и не менее 75% СаСО₃ /диатомит/. Обе породы широко используются как теплоизолирующие материалы, а также в качестве активных гидравлических добавок к вяжущим растворам, для производства легкого кирпича. Опока может приме­няться в качестве заполнителя легких бетонов.

7.2.3. Породы механического происхождения. В результате физического выветривания горные породы под влиянием воды и температуры распались на глыбы, куски и мелкие частицы, Продукты разрушения переносились ветром на различные расстояния и оседали. Так образовались глина, песок, щебень и гравий из массивных пород.

Химическое выветривание проявилось в результате взаимного действия составных частей пород с различными веществами, находящи­мися в атмосфере. Так, полевой шпат, например, ортоклаз, под дейст­вием воды и углекислоты, находящейся в воздухе, разрушался, образуя минерал каолинит /этот процесс называется каолинизацией/:

K₂O·Al₂O₃·6SiO₂+2H₂O+CO₂=K₂CO₃+4SiO₂+

+Fl₂O₃·2SiO₂·2H₂O

К физическому и химическому выветриванию /разрушению/ горных пород часто присоединяется еще биохимическое выветривание, являющееся результатом жизнедеятельности животных и растительных организмов.

В результате выветривания горных пород образуются дисперсные частицы, зерна и крупные обломки; некоторые из них цементируются глиной, кальцитом или кремнеземом, образуя цементированные горные породы. В зависимости от крупности зерен и цементации их различают на следующие виды механических отложений осадочных горных пород: песок, гравий, песчаники, конгломераты.

Песок - рыхлая смесь зерен различных пород крупностью 0,14-5,0 мм. В зависимости от условий образования пески бывают горные, речные, морские, дюнные, бархановые и др. Применяются для приготовления бетонов и растворов.

Гравий - окатанной формы зерна крупностью 5-70мм. Применяются в качестве заполнителя для бетонов.

Песчаники - горная порода, состоящая из зерен кварца, сце­ментированная глинистым кремнеземом или известняком. Прочность песчаника зависит от вида цементирования, крупности и формы сцементированных зерен. Наиболее прочные кремнеземистые песчани­ки имеют предел прочности при сжатии 200 МПа и более. Используют­ся песчаники в качестве щебня для бетонов, облицовки опор мостов: зданий, для дорожных покрытий, т.к. они имеют высокие показа­тели морозостойкости и прочности при истирании.

Конгломераты и брекчии – карбонатные горные породы, зерна ко­торых сцементированы различными природными "цементами". Порода, состоящая из сцементированных зерен щебня, называется брекчией, а из сцементированных зерен гравия - конгломератом. Конгломераты и брекчии используются в качестве щебня для бетонов, штучного кам­ня и облицовочных плит.

7.3. Метаморфические /видоизмененные/ горные породы

В глубине земли под большим давлением и при высокой темпера­туре, а также под влиянием газов происходит перерождение горных по­род с появлением у них новых свойств. При этом образуются горные породы, именуемые метаморфическими. Наибольшее применение в строи­тельстве получали следующие метаморфические породы: мраморы, гней­сы, глинистые сланцы, кварцит.

Мраморы - образуются в результате перекристаллизации извест­няков и доломитов при высоких температурах и давлениях, они имеют зернисто-кристаллическую структуру, образованную прочно соедине­нными между собой кристаллами без какого-либо цементирующего ве­щества. Мраморы характеризуются зубчатой или мозаичной связью зерен. Предел прочности мрамора при сжатии от 120 до 300 МПа. Средняя плотность мрамора 2,6-2,8 г/см³. Твердость по шкале Мооса – 4. В процессе образования мрамор пропитывается раствором различных солей, окислов металла и добавок, которые придают ему самые разнообразные цвета, и оттенки. Присутствие, например, окислов железа придает мрамору красноватый, коричневатый и розовый оттенки. Микроскопические частицы углерода, находящиеся в мраморе, создают черные, серые и зеленоватые тона. Редко встречается белоснежный мрамор. В мраморе часто имеются прожилки и узоры.

Мрамор по праву принадлежит к числу лучших отделочных материалов, он легко пилится на тонкие плиты и вследствие высокой плотности шлифуется и полируется. Его широко применяют для изготовления плит внутренней отделки зданий, подоконных досок, плитки для по­лов, лестничных ступеней и др.

Мрамор, использованный для наружной отделки зданий и соору­жений, под действием атмосферных факторов /сернистого газа/ быс­тро выветривается, теряет блеск полировки и цвет его изменяется. По этим причинам мрамор чаще используют для внутренней отделки зданий. В виде песка и мелкого щебня /крошки/ его используют для цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона. Мраморы различных структур и цветов добывают на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке, в Средней Азии, Карелии, на Юго-Западе Украины, в Крыму, на Кавказе.

К числу атмосферостойких относятся шишимский мрамор /белый/, русксальский /светло-серый/ и тивдийский /розовый/. В скульптурах применяют так называемый статуальный мрамор, особенностью которо­го является высокая просвечиваемость /светопроницаемость/. Широ­ко применяется также армянский мрамор-оникс.

Гнейсы - породы метаморфического генезиса, образовавшиеся при температуре 600-800°С и высоком давлении. По своему составу гнейсы тождественны гранитам, из которых они образовались в резу­льтате перекристаллизации под большим давлением. По структуре их можно отнести к группе сланцевых пород. Это объясняется тем, что при одностороннем давлении зерна минералов вытягиваются в виде лент в направлении, перпендикулярном направлению давления. В результате такого сложения гнейсы приобретают свойства анизотропности. Сланцеватость облегчает добычу, обработку гнейсов, но уменьшает их прочность вдоль слоев. Они сравнительно легко раскалываются по плоскостям сланцеватости и могут расслаиваться при попеременном замораживании и оттаивании, что снижает их морозостойкость. Однако высокая плотность и достаточная прочность /до 200 МПа/ позволяют применять их для мощения дорог, устройства тротуарных плит, бордюрных камней, в виде бутового камня для кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий. Гнейсы встречаются на Юго-Западной Украине, на Урале, Кольском полуострове, в Горном Алтае и на Дальнем Востоке.

Глинистые сланцы – твердая глинистая порода сланцеватого происхождения, образовавшаяся из глин, сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся под большим давлением. Они состоят из очень мелких глинистых частиц, а также листочков слюды, мелкой пыли полевых шпатов, зерен кварца и других материалов. Глинистые сланцы значительно тверже глин. Не размокают в воде – при нахождении в ней они не переходят в пластическое состояние. В строительстве применяются главным образом глинистые сланцы. Цвет сланцев от светло-серого до черного.

Глинистые сланцы имеют слоистое сложение и выкалываются из массива в виде плит и плиток. Расколотые на плитки толщиной 2,5 мм, они используются как кровельный материал /кровельный сланец или природный шифер/. Кровельный сланец не требуется окрашивать. Кроме этого, этот кровельный материал огнестоек и малотеплопроводен.

Месторождения кровельных сланцев известны на Украине, на Урале, в Грузии.

Кварциты образовались в результате перекристаллизации кварца и срастания с кремнистым песчаником в однородную массу, в которой цементирующее вещество неразличимо. Кварцит - весьма плотная и прочная горная порода; предел прочности ее при сжатии 360-400 МПа. Высокая твердость и плотность кварцитов затрудняет их обработку, но позволяет достигнуть высококачественной полиров­ки.

Кварциты бывают белого, фиолетового, темно-вишневого, красного, лилового, а иногда и зеленого цвета - в зависимости от приме­сей. Долговечность и высокая атмосферостойкость позволяют исполь­зовать этот камень в особо ответственных местах зданий и сооруже­ний – для изготовления подферменных камней в мостах, для наружной облицовки в виде тесаного камня и облицовочных плит монументальных зданий. Иногда кварцит используют для изготовления ступеней для лестниц, а также для производства огнеупорных /динасовых/ изделий и футеравок плавильных печей.

Наиболее известные месторождения кварцита расположены в Карелии, встречаются они также на Урале, Украине.

Разновидностыо кварцита является - яшма - это богатый декоративный камень с узорчатым рисунком, напоминающим карельскую березу. Яшмы встречаются различных цветов: зеленые, красно-вишневые, оливковые, палевые. Использовались они, в частности, для внутренней отделки Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

Яшмы встречаются на Урале и в Алтайском крае.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. Н. Попов. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий. Учебное пособие. М., Высшая школа. 1984. 168 с.

2. Г. И. Горчаков. Строительные материалы: Учебник для студентов ВУЗов. М., Высшая школа. 1981. 412 с.

3. В. А. Воробьев. Строительные материалы: Учебник для строительных специальностей ВУЗов. М., Высшая школа. 1979. 382 с.

Дата добавления: 2015-07-08