Природные каменные материалы

Лекция 6 ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Общие сведения Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород. Природный камень отличается декоративностью и долговечностью. Также он используется в качестве сырья для получения большинства строительных материалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ. Общая доля затрат в строительстве на эти материалы, называемые «нерудными материалами», превышает 20%. Горной породой называют крупное скопление, сложенное из одного или нескольких минералов (соответственно, моно- или полиминеральные породы) и характеризующееся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов в горной породе определяет её минеральный состав. Форма, размер и взаимное расположение минералов, наличие пор и т.п. обусловливают её структуру. Минеральный состав и структура определяют свойства горной породы. Среди горных пород выделяется специфическая группа – руды. Они содержат в своём составе металлы в таких соединениях и концентрациях, при которых возможно промышленное извлечение этих металлов. Породообразующие минералы Минерал (от лат. minera – руда) – природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Из более чем 3 тыс. найденных минералов лишь немногие образуют крупные скопления; такие минералы называются породообразующими. Каждый минерал обладает комплексом присущих ему свойств и признаков: химический состав и строение, плотность, твёрдость, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, светопреломление и др.). По этим признакам минералы идентифицируют. Твёрдость – наиболее характерное свойство минералов. Простейшим способом её определения для минералов является метод оценки относительной твёрдости по десятибалльной шкале, предложенной немецким геологом Ф. Моосом (1811 г.). Твердость исследуемого минерала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами. Спайность – способность минерала, имеющего кристаллическое строение, раскалываться по строго определенным плоскостям. Например, у слюды имеется совершенная спайность в одной плоскости, у кальцита – в трёх (раскалывается, образуя косые параллелепипеды), у кварца – отсутствует. Спайность является отрицательным свойством с точки зрения строителя, т.к. уменьшает прочность и стойкость горной породы и ухудшает её обрабатываемость (шлифовку, полировку). Краткая характеристика основных породообразующих минералов Минералы группы кремнезёма SiO2 – ряд минералов, представляющих собой модификации диоксида кремния (кварц, халцедон и опал). Полевые шпаты – группа алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов (ортоклаз, плагиоклазы и др.). Железистомагнезиальные силикаты – темноокрашенные минералы, входящие в состав основных и ультраосновных изверженных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Наиболее распространенные минералы этой группы – пироксены, амфиболы, роговая обманка и оливин. Слюды – группа минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т.е. легко расщепляющиеся на тончайшие пластинки. Наибольшее распространение среди слюд получили мусковит и биотит. Асбест – группа минералов, водных силикатов магния и железа, кристаллы которых представляют собой тончайшие волокна, легко поддающиеся распушке. Глинистые минералы – группа водных силикатов алюминия, составляющих основную массу глин. Основными представителями данной группы являются каолинит и монтмориллонит. Карбонаты – группа минералов, представляющих собой соли угольной кислоты. Основными представителями данной группы являются кальцит, доломит и магнезит. Сульфаты – группа минералов, представляющих собой соли серной кислоты. В строительстве находят применение гипс, ангидрит и в меньшей степени барит (в бетонах и растворах для защиты от ионизирующих излучений). Главнейшие горные породы, применяемые в строительстве В соответствии с генетической классификацией выделяют следующие типы пород: магматические – первичные, образующиеся при остывании магмы; осадочные – вторичные, образовавшиеся в результате выветривания магматических пород; метаморфические – магматические и осадочные породы, изменившие своё строение и свойства в результате длительных физико-химических процессов, протекающих под воздействием высоких давлений, температур и минерализованных вод, во время нахождения их в земной коре. Магматические породы Магма представляет собой высокотемпературный силикатный расплав, который в зависимости от режима охлаждения может образовывать: - плотные кристаллические породы, если остывание магмы происходило медленно и под большим давлением в глубине земной коры (глубинные магматические породы); - аморфные или слабозакристаллизованные, а при наличии газа в магме – пористые породы (излившиеся магматические породы). Минеральный состав пород зависит от химического состава магмы. Различают магмы кислые (содержание SiO2 > 65%), средние (содержание SiO2 = 50…65%) и основные (содержание SiO2 < 50%). В горных породах, образовавшихся из кислой магмы, обязательно присутствует кварц. Если порода образовалась из основной магмы, то в ней преобладают темноокрашенные железистомагнезиальные алюмосиликаты. Практически во всех изверженных кристаллических породах основная доля объёма приходится на полевые шпаты. Глубинные магматические породы характеризуются кристаллической структурой, отсутствием пор, высокой прочностью, твёрдостью и морозостойкостью. В полированном виде очень декоративны. К ним относятся: граниты, сиениты, габбро и диориты. Гранит – зернисто-кристаллическая порода, сложенная из трёх минералов: кварца (20…40%), полевых шпатов (40…70%) и слюды (5…20%); иногда слюду заменяет роговая обманка. Плотность гранитов – 2600…2700 кг/м3; предел прочности при сжатии – 100…250 МПа, а при растяжении в 20…30 раз ниже (как и у других каменных материалов); вследствие малой пористости и низкого водопоглощения (<1%) очень высокая морозостойкость (F>1000); высокая химическая стойкость; высокая твердость (более 6). Цвет гранитов определяется цветом полевого шпата и чаще всего бывает серым, розовым и тёмно-красным. Граниты хорошо полируются, приобретая декоративный вид. Граниты широко применяют для облицовки зданий и инженерных сооружений (набережные, мосты и т.п.), устройства полов общественных зданий и монументальной скульптуры. Сиенит – аналог гранита, но без кварца (образуется из средних магм); свойства и области применения аналогичны граниту. Диорит – темно-серая мелкокристаллическая порода, состоящая в основном из полевых шпатов (около 75%) и темноокрашенных минералов. Плотность – 2800…3000 кг/м3. Отличается повышенной ударной вязкостью. Применяется для облицовки и в дорожном строительстве (брусчатка и т.п.). Габбро – крупнокристаллическая порода, образовавшаяся из основной магмы; состоит из полевых шпатов (около 50%) и темноокрашенных минералов (авгита, роговой обманки и т.п.). Плотность габбро – 2900…3300 кг/м3; предел прочности при сжатии – 200…350 МПа. Обладает высокой морозостойкостью (подобно граниту). Цвет – темно-серый, темно-зеленый до черного. Хорошо полируется и имеет красивую текстуру. Одна из разновидностей габбро – лабрадорит – очень декоративна благодаря содержащемуся в ней ирризирующему полевому шпату. Излившиеся плотные породы имеют слабозакристаллизованную или стеклообразную структуру. Для ряда излившихся пород характерна порфировая структура, когда в общей аморфной массе вкраплены кристаллы какого-либо минерала. Так, кварцевый порфир (излившийся аналог гранита) имеет вкрапления кристаллов кварца, порфирит (излившийся аналог диорита) имеет вкрапления полевых шпатов. Базальт (излившийся аналог габбро) является самой распространённой излившейся породой; в зависимости от условий образования имеет стекловатую или скрытнокристаллическую структуру. Цвет базальта – темно-серый до черного. По физико-механическим показателям базальт аналогичен габбро, а по прочности даже превосходит его (Rсж достигает 500 МПа). Базальты очень твёрдые, но хрупкие породы, что затрудняет их обработку. Плотные излившиеся породы менее декоративны и менее стойки к выветриванию, чем их глубинные аналоги. Применяются в основном в качестве щебня для бетона, отсыпки железнодорожных путей и т.п. при этом, базальт используется в качестве сырья для каменного литья и получения высококачественной минеральной ваты. Излившиеся пористые породы образуются непосредственно при извержении вулканов. При этом, первичными продуктами извержения являются вулканические пеплы, пески и пемза; с течением времени они цементируются, образуя туфы. Вулканические пепел и песок – порошкообразные частицы, имеющие стеклообразное строение, благодаря чему при добавлении извести или цемента, а иногда и самостоятельно они способны к твердению. Используются как активная добавка к вяжущим (в частности, для придания извести водостойкости). Пемза – очень пористая легкая (плотность – 500…1000 кг/м3) порода в виде кусков размером 5…100 мм. Большая пористость (до 80%) обуславливает низкую теплопроводность (0,14…0,23 Вт/(м·К)). Прочность на сжатие пемзы составляет 2…4 МПа, что достаточно для производства на базе пемзы легких бетонов. Кроме того, пемза используется в молотом виде как добавка к цементам, а также в качестве абразивного порошка. Вулканические туфы – порода, образовавшаяся из вулканических пеплов, омонолитившихся в результате спекания при высокой температуре или в результате природной цементации. Плотность вулканических туфов составляет 800…1800 кг/м3 и обусловлена повышенной пористостью (30…60%). При этом, поры у туфа в большинстве своем замкнутые, что обусловливает его высокую морозостойкость. Прочность на сжатие зависит от пористости и составляет 2…20 МПа. Теплопроводность туфа в 1,5…2 раза ниже, чем у кирпича. Туфы используют как облицовочный материал, а в местах крупных месторождений – как эффективный материал для кладки стен. Благодаря низкой прочности туфа стеновые камни из него вырезают механизированным способом прямо в карьере. В тонкомолотом виде туф используют как активную добавку к цементам. Туфовая лава – разновидность вулканических туфов, образовавшаяся при попадании пепла и пемзы в огненно-жидкую лаву. По структуре, свойствам и областям применения туфовая лава аналогична вулканическому туфу, но благодаря большей доле замкнутых пор более долговечна.