Естественные каменные строительные материалы

Природные каменные материалы

История цивилизации начиналась с каменного века. Природный камень – первое добытое человеком полезное ископаемое, а природные каменные материалы, получаемые из горных пород, являются древнейшими строительными материалами. Не потеряли свою актуальность и востребованность природные каменные материалы и в настоящее время. Из горных пород сегодня производят отделочные и конструкционные изделия, вяжущие вещества (цемент, гипс, известь, жидкое стекло), бетоны, растворы, керамические и теплоизоляционные материалы, асбестоцементные изделия и другие материалы.

К горным породам относят значительные по объему природные образования, состоящие из отдельных минералов. В соответствии с ГОСТ 30629 горная порода – полиили мономинеральный агрегат, образующий самостоятельное тело в земной коре.

Минералы (от лат. minera – руда) – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов или жизнедеятельности растительных и животных организмов, образующиеся в земной коре естественным путем. Они имеют однородный химический состав и физические свойства, т.е. минерал это физически и химически индивидуальное вещество. Если минерал – химическое соединение элементов, то горная порода – механическое соединение минералов.

В природе известно около 3 тыс. минералов, но в образовании горных пород участвуют только 30…50 и их называют породообразующими (кварц, полевые шпаты, слюды).

Горные породы могут слагаться как одним минералом, так и их комплексом. Если горные породы состоят из одного минерала, то их называют мономинеральными (кварцит, известняк, кварцевый песок, гипс, яшма и др.). Породы, состоящие из нескольких минералов, называются полиминеральными – гранит, диорит, диабаз, базальт и др.

Важнейшими признаками строения горных пород являются их структура и текстура. Причем в мировой и отечественной геологической литературе эти термины трактуются неоднозначно. В соответствии с ГОСТ 30629 под структурой горной породы понимают совокупность признаков, связанных с формой, строением и размерами минеральных зерен (или частиц и обломков), степенью их кристалличности и взаимным расположением. По абсолютной и относительной величине зерен различают виды структур горных пород:

• гигантозернистая (размер зерен составляет более 10 мм);
• крупнозернистая (10…5 мм); среднезернистая (5…1 мм);
• мелкозернистая (менее 1 мм);
• афанитовая (тонкозернистая, микрокристаллическая и скрытокристаллическая) – менее 0,1 мм;
• равномерно-зернистая и неравномерно-зернистая (порфировидная и порфировая).

Рис. 1. Генетическая классификация горных пород

По степени кристалличности различают полнокристаллические и неполнокристаллические (полукристаллические и стекловатые) структуры.

Текстурой (от лат. textura – ткань, строение) называют совокупность признаков строения горной породы, обусловленных ориентацией, относительным расположением и распределением составных частей породы. Выделяют текстуры горных пород: массивную, пористую и слоистую (анизотропную).

Состав, строение, структура, текстура и условия залегания горных пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих в определенных физико-химических условиях. Согласно генетической (от греч. genesii – происхождение) классификации горные породы подразделяются на магматические (изверженные или первичные), осадочные (вторичные) и метаморфические, или видоизмененные (рис. 1).

2. Породообразующие минералы

Основными породообразующими минералами горных пород являются кремнезем, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, карбонаты и сульфаты. Наиболее распространенным кремнеземистым минералом в земной коре является кварц (до 18%). Название происходит от старинного славянского наречия твардц и обозначает твердый.

Кварц – это диоксид кремния (SiO₂), или кремнезем. В природе может находиться в двух модификациях: кристаллической и аморфной формах, часто в соединении с водой (SiO₂ · nH₂O). Кристаллическое состояние получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют занять «стройное положение» и получится аморфный кремнезем (рис. 2). Кристаллический кварц отличается сравнительно высокими плотностью (2,6…2,8 г/см 3 ), прочностью (до 2 тыс. МПа), твердостью (7 – по шкале твердости Мооса), химической стойкостью и другими положительными свойствами. Он может быть прозрачным, бесцветным, белым, железистым или других цветов. При разрушении горных пород (выветривании) зерна кварца не разрушаются, а образуют кварцевый песок.

Рис. 2. Схема кристаллической (а) и аморфной (б) структуры кремнезема

При обычной температуре кварц не взаимодействует с кислотами (кроме плавиковой) и щелочами, а в среде насыщенного пара при повышенных температуре (150…200 °С) и давлении в автоклавах он взаимодействует со щелочами (например, с Ca(OH)₂, образуя гидросиликаты кальция 2СаО · SiО₂ · nН₂О и 3СаО · SiО₂ · nН₂О – составляющие цементного камня или силикатные материалы). При температуре 1710 °С кварц плавится и после быстрого охлаждения образует аморфный кремнезем (кварцевое стекло) плотностью 2,3 г/см 3 . В природе встречается как в виде самостоятельной горной породы (кварцевый песок), так и в составе многих других горных пород (гранит и др.).

Кварц может находиться (хотя и редко) в скрытокристаллической форме. К таким разновидностям кремнезема относятся кремень, халцедон, агат, яшма и др. В условиях поверхностных зон земной коры они неустойчивы.

В аморфном состоянии кремнезем встречается в осадочных горных породах в виде минерала опала – SiО₂ · nН₂О, т.е. гидратированного кремнезема. Содержание химически связанной воды в нем – 2…20%. Аморфный кремнезем часто называют вулканическим стеклом (обсидиан). Гидратированный кремнезем при обычной температуре обладает повышенной реакционной способностью к гидроксиду кальция Ca(OH)₂. Такое свойство аморфного кремнезема широко используют при изготовлении минеральных вяжущих (например, пуццолановых и шлакопортландцементов). Некоторые горные породы целиком состоят из минерала опала – диатомиты, трепелы, опоки. Водный аморфный кремнезем является очень прочным природным цементирующим веществом, заполняя промежутки между зернами песка (в кремнистых песчаниках) и кальцита (в известняках).

Минерал кварц входит в состав всех трех групп горных пород – магматических, осадочных и метаморфических.

Алюмосиликаты представляют собой химические соединения глинозема с кремнеземом и другими оксидами. Глинозем Аl₂O₃ занимает второе место в земной коре после кремнезема. В природе встречается в виде минералов корунда и диаспора. Корунд является одним из наиболее твердых минералов. Его используют для производства высокоогнеупорных материалов и в качестве абразива. Диаспор представляет собой моногидрат глинозема Аl₂O₃ · Н₂О и входит в состав бокситов, используемых в качестве алюминиевой руды и сырья для производства глиноземистого цемента.

К минералам группы алюмосиликатов относят полевые шпаты, слюды, каолиниты. Полевые шпаты составляют около 60% массы земной и лунной коры и входят в состав метеоритов. Они участвуют в образовании магматических, метаморфических и некоторых осадочных горных пород. Вероятно отсюда и их название «полевые», т.е. встречающиеся на каждом поле.

По химическому составу полевые шпаты – это алюмосиликаты натрия, калия, кальция или их смесей. Характерной особенностью всех полевых шпатов является их низкая атмосферостойкость и склонность к выветриванию – большая, чем у других породообразующих минералов. При выветривании полевых шпатов образуется минерал каолинит (водный алюмосиликат – Аl₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O) – основная составляющая глин. Он имеет белый, даже белоснежный цвет, на ощупь слегка жирный и легко рассыпается. Глины с большим содержанием минерала каолинита тоже имеют белый цвет и называются огнеупорными. Полевой шпат в смеси с каолином и кварцем является сырьевой смесью для получения фаянса, фарфора и полуфарфора.

В группу сложных алюмосиликатов входят слюды. Они имеют слоистую структуру (совершенную спайность в одном направлении) и поэтому способны легко расщепляться на тончайшие гибкие пластинки. В составе горных пород (многих магматических и осадочных) чаще всего встречаются две разновидности слюды – биотит, мусковит и др.

Биотит – это железисто-магнезиальная слюда. При выветривании он превращается в гидратированную разновидность вермикулит – составляющую одноименную горную породу.

Характерной особенностью железисто-магнезиальных минералов являются их высокая плотность (3000…3600 кг/м 3 ), ударная вязкость, стойкость против выветривания и темная окраска. Поэтому их называют еще темноокрашенными. При большом их содержании в горных породах они придают им темный цвет и большую вязкость, т.е. повышенную сопротивляемость удару. К ним относят пироксены, амфиболы, оливины и др. Они входят в состав таких горных пород, как габбро, диабазы, базальты.

Группу карбонатов представляют кальцит, магнезит, доломит и др. Кальцит (известковый шпат) – самая распространенная форма безводного карбоната кальция (СаСО₃) в земной коре. Легко распознается по шипению или вскипанию при действии на него разбавленной соляной кислотой в результате выделения углекислого газа (СО₂). По красоте и разнообразию кристаллов кальцит занимает первое место среди других минералов. При этом чистый кальцит – бесцветен, а при наличии примесей имеет белый, серый или другие окрашенные светлые оттенки. Входит в состав известняков, мела, доломита и других горных пород. Характерной особенностью кальцита является способность при температуре 900…1100 °С разлагаться на СаО и СО₂. Оксид кальция (СаО) представляет собой вяжущее вещество – известь.

Магнезит – карбонат магния МgСО₃ – имеет химическое происхождение. В земной коре его содержится значительно меньше, чем кальцита. Входит в состав одноименной горной породы – магнезита и других (доломита, известняка).

Доломит по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль кальция и магния (СаСО₃ · МgСО₃). Входит в состав горной породы с тем же названием – доломит, а также известняков и других горных пород.

К группе сульфатов относятся минералы гипс и ангидрит, представляющие природные соли серной кислоты.

Гипс является минералом осадочного происхождения и представляет собой водную разновидность сульфата кальция (СаSО₄ · 2Н₂О). Образует породу под тем же названием – гипс (гипсовый камень). Структура его может быть волокнистой, пластинчатой, игольчатой или зернистой. Гипс более растворим в воде по сравнению с кальцитом. При определенных температурах гипс способен разлагаться на полуводный (СаSО₄ · 0,5Н₂О) и безводный сернокислый кальций (СаSО₄), которые обладают вяжущими свойствами.

Ангидрит – безводная разновидность гипса (СаSО₄). При насыщении водой переходит в гипс с незначительным увеличением в объеме. Образует породу одноименного названия – ангидрит. Тонкозернистый ангидрит голубого цвета известен под названием бергамского мрамора. Используется в основном для производства вяжущих веществ.

Из других минералов, которые представляют определенный интерес для строителей, можно назвать асбест, тальк, монтмориллонит и др. Входят в состав, как правило, метаморфических или осадочных горных пород.

3. Магматические горные породы

Магматические горные породы образовались непосредственно из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного и алюмосиликатного составов, образующейся в земной коре на сравнительно большой глубине) в результате ее затвердевания и кристаллизации. По содержанию кремнезема магматические породы подразделяют на кислые (85…65% SiO₂), нейтральные (65…52% SiO₂) и основные (52…35% SiO₂). Кислые породы богаты соединениями кремния, калия, натрия и отличаются более светлой окраской. Основные породы содержат больше кальция, магния, железа и окрашены в более темный цвет.

В зависимости от условий и среды, в которых происходило формирование состава и структуры, образовались так называемые глубинные и излившиеся горные породы. Формирование глубинных горных пород происходило в условиях медленного и равномерного охлаждения магмы под большим давлением верхних слоев земной коры. Эти условия обеспечили полную кристаллизацию составляющих их минералов. В результате образовались массивные, плотные и прочные горные породы, с высокой морозостойкостью, низким водопоглощением и преимущественно крупнокристаллическим строением. К таким породам относятся граниты, сиениты, диориты, габбро, лабрадориты и др.

Гранит (от лат. granitum – зерно) – самая распространенная в земной коре горная порода с ярко выраженной зернисто-кристаллической структурой. Состоит из кварца (20…40%), полевого шпата (40…60%), слюды (5…20%) и других минералов. В зависимости от их соотношения и прежде всего от главной составляющей (полевого шпата) гранит имеет цвет от серого до черного, в том числе розовый, темно-красный, зеленый и даже голубой. Лучшими строительными свойствами обладают граниты, содержащие больше кварца и меньше слюды. С увеличением содержания полевых шпатов гранит становится более вязким, но и более склонным к выветриванию. Благодаря высокой плотности гранит хорошо полируется, сохраняя зеркальный блеск поверхности в течение длительного времени, и легко поддается тёске, что позволяет создавать различные фактуры.

Гранит обладает плотностью 2600…2800 кг/м 3 , морозостойкостью (более 200 циклов) и прочностью при сжатии – 120…300 МПа. Пористость гранита не превышает 1,5%, водопоглощение – 0,5%. Долговечность составляет 1000 и более лет. Вместе с тем гранит – хрупкая порода и не достаточно огнестойкая. При пожарах сравнительно легко растрескивается. Объяснить это можно различными коэффициентами температурного расширения отдельных его составляющих и анизотропностью строения. Применяется гранит преимущественно для внешней облицовки зданий и сооружений, изготовления бортовых камней, ступеней, колонн и в качестве заполнителя для высокопрочных бетонов.

Сиениты (от названия горы Сиено в Египте) отличаются от гранитов тем, что не содержат в своем составе кварца, и потому легче поддаются обработке. Цвет более темный, чем у гранита (серо-красный и темно-зеленый). По плотности и прочности сиениты близки к гранитам, но менее устойчивы против выветривания. Сиениты с небольшим содержанием кварца называются граносиенитами. Применяются сиениты в качестве облицовочного камня и заполнителя для бетона.

Диорит (от греч. diorizo – различать) состоит в основном из полевого шпата (75%) и цветных минералов (25%). Структура – от мелкозернистой до крупнозернистой, иногда порфировидная. Цвет диорита – от темно-зеленого до черного с зеленоватым оттенком. Порода твердая, не хрупкая и стойкая при выветривании, плотность – 2700…2900 кг/м 3 , прочность – 150…280 МПа. Отличительной особенностью этой породы является высокая вязкость, поэтому диорит целесообразно применять при ударных нагрузках (например, при мощении дорог), использовать в качестве облицовочного материала.

Диориты с небольшим содержанием кварца называются гранодиоритами. Это декоративный камень, сочетающий в себе прочность гранита и красоту мрамора.

Габбро (по названию местности Габбро (Gabbro) в Италии) – зернисто-кристаллическая порода. Имеет ту же структуру, что и гранит. Отличается высокой вязкостью, прочностью (80…350 МПа), декоративностью и стойкостью к выветриванию. Цвет варьируется от черного до темно-зеленого, иногда встречается с пятнистой окраской. Истинная плотность породы почти равна средней плотности и составляет 2750…3250 кг/м 3 , пористость – 0,15…2,5%, водопоглощение – 0,02…0,7%. Применяется габбро в качестве облицовочного и штучного камня, заполнителя для бетона, сырья для каменного литья и минеральной ваты, балластировки автомобильных дорог и железнодорожных путей. Разновидность породы габбро – лабрадорит.

Основной составной частью лабрадорита является минерал лабрадор, состоящий из натриевого и кальциевого полевых шпатов. Имеет массивную текстуру и зернисто-кристаллическую структуру. Цвет породы может варьироваться от серого (светлого) до серо-коричневого, почти черного. Обладает яркими переливами цветов (синего, голубого, зеленого, золотистого и др.), что увеличивает декоративную ценность камня. Определить принадлежность горной породы к лабрадориту можно по синеватому отливу (иризации) на гранях слагающих кристаллов. Плотность породы составляет 2700…2860 кг/м 3 , пористость – 1,2…1,8%, прочность на сжатие – 40…160 МПа, водопоглощение – 0,14…0,21%. Лабрадорит используется в качестве ценного и красивого облицовочного камня.

Излившиеся горные породы образовались в результате вулканического извержения магмы, застывшей ближе к поверхности (в приповерхностных слоях до 5 км) или на самой поверхности земли при более низких температуре и давлении. Из-за быстрого охлаждения магмы (лавы) такие породы закристаллизовались лишь частично. Они имеют, как правило, стеклообразную, скрыто- или мелкокристаллическую структуру, иногда на фоне крупных кристаллов. Такое строение горных пород называют еще порфировым по аналогии с широко распространенными среди этой группы пород порфирами. Наличие крупных вкрапленников на фоне мелкокристаллической структуры повышает декоративные качества такого камня, но понижает атмосферостойкость.

Излившиеся горные породы могут иметь как плотное строение (массивные породы), так и пористое. К массивным излившимся горным породам относятся порфиры, диабазы, базальты и др. По составу они являются аналогами глубинных горных пород, но отличаются по структуре и текстуре.

Порфиры имеют две разновидности: кварцевую (аналоги гранитов) и бескварцевую (аналоги сиенитов). Отличаются от гранитов неоднородностью строения и наличием вкрапленников в мелкозернистой структуре. Вкрапленниками порфиров являются кварц, полевые шпаты и цветные минералы. Поэтому стойкость их к выветриванию ниже, а декоративные свойства выше, чем у гранитов. Наибольшей устойчивостью обладают кварцевые порфиры с плотной мелкокристаллической структурой. Цвет у порфиров варьируется от красно-бурого до серого с различными оттенками, плотность – 2400…2500 кг/м 3 , прочность на сжатие – 120…130 МПа. Из порфиров изготовляют облицовочные плиты, щебень и штучный камень в дорожном строительстве.

Базальт по химическому составу является аналогом габбро, состоит в основном из минералов полевого шпата и авгита или оливина. Название «базальт» (basaltes) произошло от эфиопского, по одной из версий обозначало железосодержащий камень, по другой – кипяченый.

Цвет базальтов обычно темно-серый, черный или зеленоваточерный, структура – скрытокристаллическая порфировая. Размер вкрапленников может достигать нескольких сантиметров в длину и составлять до 20% от массы породы. Для базальтов характерна столбчатая, реже – шаровидная отдельность (структура), формируемая при неравномерном затвердевании лавы (рис. 3).

Физико-механические свойства базальтов весьма разнообразны, что объясняется разной пористостью породы (0,6…19%). Плотность их составляет 2600…3300 кг/м 3 , водопоглощение – 0,15…10%, прочность на сжатие – 110…500 МПа, температура плавления – 1100…1250 °С. Базальт – твердая порода, с трудом поддается обработке, но хорошо полируется. Высокая прочность и относительно низкая температура плавления обусловили применение базальта в качестве основного сырья для каменного литья и производства минеральной ваты (каменной или базальтовой). Плавленый базальт имеет более высокую прочность (до 800 МПа) и долговечность. Применяется базальт также в качестве облицовочного материала, заполнителя для бетона и в дорожном строительстве.

Рис. 3. Базальтовое месторождение

Диабаз (от фр. diabase – сокращенное от выражения «дважды базальт») тоже является излившимся аналогом габбро. Порода отличается высокой твердостью, вязкостью, долговечностью и относительно невысокой температурой плавления – 1200…1300 °С. Сравнительно легко поддается колке и полировке. Обладает низкой истираемостью и поэтому является хорошим материалом для устройства дорожных покрытий и получения высокопрочного щебня. Также его используют в качестве сырья для каменного литья. Прочность плавленого диабаза возрастает в 2–2,5 раза (500 МПа против 200…300 МПа). Плавленый диабаз также стоек к кислотам и щелочам.

Перлит – это природное вулканическое стекло, обогащенное водой, т.е. застывшее вулканическое стекло излившихся пород, которые вышли на поверхность по трещинам в земной коре. По текстуре напоминает жемчуг, что и определило его название (от фр. perle – жемчуг). Содержание воды в нем колеблется в очень широких пределах 1…12% и выше.

Вермикулит (от лат. vermiculus – червеобразный) является мономинеральной горной породой (минералом) из группы гидрослюд, имеющих слоистую структуру и содержащих межслойную воду в связном состоянии (5…18%). Окраска вермикулита бывает бурой, золотистой, зеленой, серой, черной.

Наряду с плотными образуются и пористые разновидности обломочных излившихся пород преимущественно из частиц раздробленной лавы, выбрасываемой вулканами, или лавы, насыщенной газами. Такие породы могут быть рыхлыми (вулканический пепел, песок, пемза) и сцементированными (вулканические туфы, трассы, туфовая лава). Последние образовались в результате цементации и уплотнения вулканических пеплов и других твердых зернистых материалов. Связующим веществом служили вулканический пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла.

Вулканический пепел – порошкообразные частицы вулканической лавы, состоящие в основном из мельчайших обломков вулканического стекла (аморфного кремнезема), кристаллических зерен кварца и других минералов. Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вулканических взрывах. Рыхлые массы (образования) с крупностью частиц до 2 мм называют вулканическим пеплом, до 5 мм – вулканическим песком и более 5 мм – пемзой. Применяются в качестве активной минеральной добавки к вяжущим веществам (цемент, известь) и как заполнители для легких бетонов.

Пемза образовалась при быстром охлаждении магмы и интенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу. Быстроеохлаждение вспученных кусков магмы привело к образованию стекловидной пористой породы. Состоит в основном из аморфного кремнезема (до 70%) и глинозема (до 15%). Пустотность – до 80%, плотность – 400…600 кг/м 3 (пемза плавает в воде), прочность на сжатие – до 4 МПа. Замкнутость пор обеспечивает низкое водопоглощение и высокую морозостойкость. Залегает она в виде обломков размером 5…50 мм и более. Используют пемзу в качестве теплоизоляционного и шлифовального материала.

Вулканический туф – это пористая порода, состоящая из вулканического пепла и пемзы, уплотненных и сцементированных. Степень уплотнения зависит от условий залегания. Вулканический туф характеризуется значительной пористостью (50…70%), низкими плотностью (1200…1300 кг/м 3 ) и теплопроводностью, достаточной прочностью, долговечностью и хорошо обрабатывается. Применяется как стеновой материал в виде блоков и облицовочных плит. Отходы при этом используются в качестве заполнителей для легких бетонов и гидравлических добавок к минеральным вяжущим веществам. Наиболее уплотненные (камневидные) туфы называют вулканическими трассами.

Туфовые лавы образовались при быстром вспенивании изливающихся лав, резком падении давления и одновременном примешивании к ним разнообразного вулканического материала. Количественное соотношение лавы и твердого обломочного материала в ней варьируется в различных пределах, что приводит к образованию многообразных по составу, строению, окраске и физико-механическим свойствам пород. Туфовые лавы используются для производства стеновых камней, крупных блоков, в качестве заполнителя и активной минеральной добавки.

4. Осадочные горные породы

Осадочные горные породы имеют вторичное происхождение, т.е. как на поверхности Земли из продуктов разрушения ранее существовавших горных пород, так и на дне водных бассейнов из остатков отмерших организмов, растительного мира (водорослей) и т.п. Процесс образования протекал по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу.

Все осадочные породы имеют практически одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки – слоистость и пористость. Они отличаются многообразием структур и текстур, с широким варьированием формы и размеров частиц. В зависимости от условий образования различают осадочные горные породы химического, органогенного и механического (обломочного) происхождения. Породы химического и органогенного происхождения часто бывают связаны друг с другом рядом переходов. Структура химических пород определяется размерами кристаллов слагающих их минералов (крупно-, средне-, мелкозернистая, скрытокристаллическая), а органогенных – сохранностью входящих в них остатков и принадлежностью их к тем или иным группам организмов. Органические остатки могут быть разрушены и не разрушены.

Породы химического происхождения образовались в результате осаждения минеральных веществ из истинных (путем кристаллизации) и коллоидных (вследствие коагуляции) растворов с последующим уплотнением и цементацией. Общая особенность таких пород – пористость, трещиноватость и растворимость в воде. Доломиты (названы по имени французского ученого Д. Доломье) состоят из минерала того же названия CaCO₃ · MgCO₃ с примесями других веществ (кальцит, ангидрит, кварц). Образуются в основном путем химического изменения известняковых пород и выпадением из водных растворов. По структуре – плотная порода (2850 кг/м 3 ), цвет – от серовато-белого с желтоватым, буроватым и зеленоватым оттенками до черного. Твердость – 3,5…4,0. По составу различают доломит (более 90% минерала доломита), известковистый доломит (50…90%) и доломитизированные известняки (менее 50% минерала доломита). Применяют доломиты для изготовления облицовочных плит, щебня для бетона, огнеупоров, минеральных вяжущих веществ, в стекольной промышленности.

Гипс – плотная порода белого или светло-серого цвета. Состоит из минерала того же названия – гипса (CaSO₄ · 2H₂O). Содержит в своем составе кристаллизационную воду, способную выделяться при нагревании с образованием полуводного или безводного гипса (ангидрита). Легко растворяется в воде. Средняя плотность составляет 2100…2200 кг/м 3 , истинная – 2,3…2,4 г/см 3 , твердость – 1,5…2. Основное применение – сырье для производства гипсовых вяжущих веществ (ГОСТ 4013), а также в виде плит для внутренней облицовки зданий и как добавка к цементам для регулирования сроков схватывания.

Органогенные горные породы образовались в результате отложения и уплотнения (цементации) отмерших организмов, водорослей и других растений. Они могут быть кремнистого (диатомиты, трепелы, опоки) и карбонатного (известняк, мел и др.) составов.

Известняк образовался в водных бассейнах из остатков животного и растительного мира или как продукт химических осадков. Рыхлые скопления этих осадков уплотнялись давлением воды и скреплялись углекислым кальцием. Состоит в основном из минерала кальцита CaCO₃ и примесей глины, кварца, доломита и др. Примеси MgCO₃ и SiO₂ повышают твердость, прочность и стойкость известняков.

В зависимости от условий образования различают известняки плотные и пористые. Плотность известняков составляет от 800 кг/м 3 (известняк-ракушечник, травертин) до 2800 кг/м 3 (плотные кристаллические), прочность на сжатие соответственно 0,4…300 МПа, твердость их невелика, поэтому они хорошо поддаются обработке. Известняки обычно белого, светло-серого, желтоватого и розоватого цвета, но с примесями могут иметь любой цвет вплоть до черного. Используются они для производства извести, портландцемента, а также щебня и облицовочных плит. Однако для облицовки зданий и изготовления архитектурностроительных изделий больше используются мраморизованные известняки.

Известняк-ракушечник – пористая порода, состоящая из раковин моллюсков и их обломков, сцементированных известковым веществом. Он хорошо пилится и обрабатывается. В нем очень много сердцевидных пустот, оставшихся от растворения раковин. Пустоты в данном случае играют положительную роль. Они способствуют лучшему сцеплению с раствором при облицовке плиткой и кладке блоков. Небольшая плотность и малая теплопроводность позволяют использовать известняк-ракушечник для изготовления стеновых блоков. Применяется также и как отделочный стеновой материал.

Травертин представляет собой известковые отложения углекислых источников и является самым распространенным отделочным и строительным материалом со времен Римской империи. Имеет мелконоздреватое строение и высокую прочность на сжатие (до 80 МПа). Порода мягкая, легко пилится, шлифуется, полируется. На рынок поставляется однородных пастельных оттенков: белого, бежевого, коричневого, желтого и др. Используется в архитектуре больших и малых форм – фасады, цоколи, колонны, тротуары, внутренние стены, полы и т.п.

Мергель представляет собой механическую смесь известняка и глины в различных соотношениях. Средняя плотность составляет 1900…2500 кг/м 3 , а прочность на сжатие – до 60 МПа. При соотношении 3 : 1 мергели используют для производства цементов.

Мел – аморфная модификация карбоната кальция. По химическому составу почти целиком состоит из минерала кальцита

(СаСО₃). Мел образовался из мельчайших остатков раковин простейших организмов (растительных и планктонных животных – 60…70%). Остальная часть породы (30…40%) – тонкозернистый порошкообразный кальцит – возникла химическим путем. Мел отличается пористой структурой, имеет белый цвет и небольшую прочность. Используется для приготовления красок, замазок, шпатлевок, а также при производстве извести, цементов и стекла.

Диатомиты и трепелы представляют собой породы с большим содержанием водного аморфного кремнезема. Они образовались из панцирей диатомитовых водорослей, одетых тонкой прочной кремниевой оболочкой. После отмирания растений панцири оставались на дне водоемов и уплотнялись вместе с осаждавшимися между ними глиной и илом. Как трепелы, так и диатомиты имеют почти одинаковый химический состав и физические свойства. Пористость их составляет 60…70%, плотность – 350…950 кг/м 3 .

В отличие от диатомита трепел – порода более раннего происхождения. С течением времени трепел превращается в тонкопористую или плотную породу, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема – опоку, состоящую, как и трепел, из зернышек опала и остатков кремневых скелетов организмов, сцементированных кремнистым веществом. Применяют опоку в качестве стенового камня и заполнителя для легких бетонов в естественном или термообработанном виде.

Диатомиты и трепелы отличаются большой химической активностью. Используются в качестве активной минеральной добавки к цементам и как теплоизоляционный материал. После термообработки породы в 1,5–2 раза снижается плотность. Продукт термообработки используется в качестве заполнителя для бетона, который получил название термолит.

Обломочные горные породы образовались в результате механического разрушения магматических и метаморфических пород под действие природных факторов и по размеру обломков подразделяются на грубообломочные (валуны, щебень, гравий), песчаные, пылеватые и глинистые. Они могут быть рыхлыми (песок, щебень и гравий (СТБ ЕN 932-1)) и сцементированными (конгломераты, брекчии, песчаники и др.). В сцементированных породах связующим служили карбонаты (кальций, доломит), оксиды кремния (опал, халцедон, кварц), оксиды железа, глинистые минералы и ряд других.

Наряду с механическим может проходить и химическое разрушение. Например, при разрушении полевошпатовых горных пород с последующим взаимодействием полевого шпата с водой и диоксидом углерода образовались водные силикаты алюминия и, в частности, минерал каолинит – основная составляющая глины.

Песок – это рыхлая смесь зерен горных пород крупностью 0,16…5 мм. По составу песок делят на кварцевый (наиболее распространенный), известняковый, полевошпатовый, пемзовый и др. По происхождению они подразделяются на горные, овражные, морские, речные и дюнные. При оценке качества песка учитывают его минералогический и гранулометрический составы, форму зерен, межзерновую пустотность и др. Применяются пески в качестве мелкого заполнителя в бетонах и растворах, для устройства оснований в дорожном строительстве, производства силикатных материалов, керамики, стекла и других материалов.

Гравий – смесь окатанных обломков горных пород размером 5…70 мм. Более крупные обломки (70…150 мм) называют галечником. Применяется в качестве крупного заполнителя для бетонов и балласта при строительстве дорог.

Природная смесь зерен песка и гравия в разных соотношениях называется песчано-гравийной смесью. При сортировке (просеивании) получают песок и гравий.

Глина – это тонкообломочные отложения из мельчайших частиц размером менее 0,005 мм, состоящие из минералов группы каолинита, монтмориллонита, других глинистых минералов, а также частиц кварца, слюды, полевых шпатов. Характерной особенностью глины является ее способность приобретать пластичность при увлажнении, сохранять заданную форму после высушивания и снова приобретать пластичность при увлажнении, а после обжига переходить в камневидное состояние. Глина применяется в керамической и цементной промышленности (см. п. 4.2).

Каолин (фарфоровая глина) – смесь особо чистых глин белого цвета и песка. Основной составляющей частью каолина тоже является минерал каолинит. Применяется в фарфоровой и фаянсовой промышленности.

Песчаники – это плотная порода, состоящая из зерен песка (чаще всего кварца), сцементированных различными природными примесями-растворами (рис. 4). В зависимости от вида связующего различают песчаники глинистые, известняковые, мергелистые, кремнеземистые и др. Их свойства определяются видом природного связующего, характером сцепления и плотностью породы. Прочность песчаников колеблется в пределах 1…150 МПа, плотность – 1900…2800 кг/м 3 , пористость – 0,7…7%, водопоглощение – 0,6…6%. Наибольшей прочностью обладают кремнеземистые песчаники (до 250 МПа), наименьшей – глинистые.

Могут быть серого, зеленого, красного, желтого, коричневого и бурого цветов. При метаморфизме кремнеземистый песчаник переходит в кварцит. Применяются песчаники для устройства полов промышленных зданий, тротуаров, в качестве облицовочного камня и заполнителей для бетона.

Разновидностями обломочных горных пород также являются конгломераты – из сцементированных зерен гравия, и брекчии – из щебня. Их прочность зависит от прочности входящих в их состав веществ и составляет 100…160 МПа. Применяются в основном в виде щебня, бутового камня и как декоративные отделочные камни.

5. Метаморфические горные породы

Метаморфические (от греч. metamorfo – превращать) горные породы образовались в результате видоизменения или геологических преобразований магматических или осадочных горных пород под воздействием тектонических процессов, высокого давления, температуры, газов, водных минеральных растворов и возможных химических процессов. По структуре их подразделяют на массивные, или зернистые (кварциты, мрамор), и сланцеватые (гнейсы, глинистые сланцы).

Кварциты – метаморфическая разновидность кремнеземистых песчаников. Образовались в результате их перекристаллизации. Кварциты весьма прочные и плотные горные породы. Прочность на сжатие достигает 400 МПа, плотность – 2800…3000 кг/м 3 , водопоглощение – менее 0,2%. Обладают высокой твердостью, малой истираемостью и большой долговечностью – более 500 лет. Кварциты хорошо полируются. Бывают темновишневого, красного, лилового и зеленого цветов. Кварцит считается очень красивым камнем, особенно малиново-красные и темно-вишневые его разновидности. Используются для наружной облицовки монументальных зданий и других сооружений повышенной долговечности.

Разновидностью кварцита является яшма – это очень богатый декоративный камень с узорчатым рисунком темно-красной, желтовато-зеленой или черной окраски. Используется в качестве прочного декоративного и поделочного материала.

Мрамор (от греч. marmaros – блестящий камень) образовался в результате перекристаллизации известняков и доломитов под воздействием высоких температур и огромных давлений. Чистый мрамор имеет белый цвет. В зависимости от примесей он может быть самых разнообразных цветов и оттенков: черный, сероватый, красный, коричневый, зеленый, розовый и др. Неравномерное распределение примесей в мраморе создает окраску с разными узорами и прожилками и повышает декоративные качества.

Отличительными особенностями мрамора являются высокие плотность (2700…2900 кг/м 3 ) и прочность на сжатие (до 300 МПа), малое водопоглощение (до 0,7%) и небольшая твердость (3). Поэтому мрамор легко поддается обработке: хорошо пилится на тонкие плиты, легко шлифуется и полируется. Применяется в качестве строительного и декоративного материала для внутренней облицовки стен, изготовления лестничных ступеней. Отходы в виде крошки используют для изготовления мозаичных полов, цветных штукатурок и облицовочного декоративного бетона. Для наружной облицовки мрамор применять не рекомендуется, так как под воздействием влаги и других атмосферных факторов он теряет свои декоративные качества.

Гнейсы образовались из горных пород гранитного типа и некоторых осадочных. Состоят в основном из минералов полевого шпата, кварца и др. По цвету – светлоокрашенные, серые, красноватые и других оттенков. Текстура – массивная, полосчатая, структура – разнозернистая. Строение – слоистое, поэтому легко раскалываются вдоль слоев и с трудом в перпендикулярном направлении. По свойствам гнейсы близки к гранитам, но менее долговечны. Плотность их составляет 2400…2800 кг/м 3 , а прочность – 100…200 МПа. Используются для устройства фундаментов, тротуаров, облицовки набережных и каналов.

Сланцы характеризуются ориентированным расположением породообразующих минералов и способностью раскалываться на тонкие пластины или плитки толщиной 3…10 мм. Образовались в результате метаморфизма магматических и осадочных горных пород (сильно уплотненных глин). Имеют черный или темно-серый цвет. Наибольшее применение в строительстве получили кремнистые и глинистые сланцы. Они используются для наружной и внутренней облицовки стен, полов и в качестве кровельного материала (природный шифер).

Асбест – название собирательное, объединяющее разные по химическому составу и минералогическому строению силикатные материалы волокнистого строения. Наибольшее применение в строительстве получил хризотил-асбест. Он обладает способностью расщепляться на тонкие гибкие и эластичные волокна и распушаться в тонковолокнистую массу подобно льняной или хлопковой, пригодной для изготовления несгораемых тканей. Длина пучков волокон может достигать нескольких сантиметров, а диаметр не превышает 1 мм. Используется в асбестоцементной промышленности и производстве теплоизоляционных материалов.

6. Материалы и изделия из природного камня

Все каменные материалы и изделия, используемые в строительстве, можно условно разделить на три основные группы:

• материалы, применяемые без обработки – в исходном виде (валунный и булыжный камни, гравий, песок, песчано-гравийные смеси и др.);
• изделия правильной геометрической формы, полученные непосредственно из горного массива (блоки, стеновые камни и др.);
• облицовочные (декоративные) изделия (плиты, ступени, проступи, парапеты и др.).

Для оценки пригодности горной породы в качестве сырья для производства изделий предварительно проводят минералого-петрографические исследования (макро- и микроскопические), определяют физико-механические и химические показатели горной породы, оценивают декоративность (цвет, текстуру и пригодность к полировке), радиационные характеристики, показатель технологичности и др. Затем по установленным показателям определяют область назначения горной породы. В зависимости от назначения и условий применения различают изделия, не несущие существенной механической нагрузки (например, плиты для внутренней и внешней облицовки) и воспринимающие главным образом большие механические нагрузки, а также камни для сооружения крупных архитектурных декоративных деталей (пилоны, колонны) и монументальные памятники.

Блоки из горных пород (СТБ ЕN 771-6, ГОСТ 9479) имеют форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему с размерами 0,4…3,5 м по длине и 0,2…2,0 м по ширине и высоте. Получают их способом пиления или раскола из массивов горных пород, не тронутых выветриванием. Оценка блоков производится по внешним показателям, геометрическим параметрам и физико-механическим характеристикам. На блоках не допускаются трещины с нарушением сплошности, ограничивается содержание контрастных прожилок, полос, каверн и пятен. Предназначаются такие блоки (полуфабрикаты) для изготовления облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий, бортовых и брусчатых камней, заготовок для реставрационных работ и мемориальных изделий.

Стеновые камни (ГОСТ 4001) и блоки (ГОСТ 15884) получают, как правило, из пористых горных пород (пористых известняков, вулканического туфа и др.) плотностью 900…2200 кг/м 3 . Лицевая поверхность их должна отвечать требованиям декоративности, прочность на сжатие составлять 0,4…50 МПа, морозостойкость – не менее F15, коэффициент размягчения – 0,6…0,7. Правильную геометрическую форму им придают выпиливанием или раскалыванием массивов горных пород. Размеры могут быть различны (от 195×190×188 мм до 490×240×188 мм), но обязательно кратны единому строительному модулю 100 мм с учетом швов в кладке. Каждый такой стеновой камень заменяет 8…12 и более кирпичей. По назначению они могут быть рядовые и лицевые.

Природный камень для декоративно-облицовочных изделий подбирается с учетом назначения зданий и климатических условий, в которых будет находиться облицовка. Такими породами могут быть гранит, кварцит, диорит, сиенит, лабрадорит, габбро, мрамор, известняки, вулканические туфы, травертин, гипсовый и тальковый камень, песчаники и др. Получают их, как правило, из уже заготовленных блоков-полуфабрикатов путем распиливания (рамными, канатными, ленточными, дисковыми пилами) или раскалывания с последующей механической обработкой для придания определенной формы, размеров и фактуры лицевой поверхности.

Облицовочные плиты и плитки (ГОСТ 9480, ГОСТ 30629) применяются для облицовки стен и перекрытий (СТБ ЕN 12057), наружных и внутренних стен зданий и сооружений различного назначения (СТБ ЕN 1469), для покрытий пола и лестничных ступеней. Размеры плит: длина – 150…1500 мм, ширина – 150…1200 мм и толщина – 12…80 мм и более (по согласованию с заказчиком); плиток: толщина – не более 12 мм, длина и ширина – не более 610 мм. По декоративности они подразделяются на классы: высокодекоративные (I), декоративные (II), малодекоративные (III) и недекоративные (IV).

Фактурная обработка поверхности камня производится ударными и абразивными инструментами. В зависимости от желаемого декоративного эффекта и вида обработки можно получить следующие фактуры:

• ударной обработкой – фактуру «скалы», рифленую, или бороздчатую (кованую), точечную, с выступами и углублениями и тесаную;
• абразивной обработкой – пиленую, шлифованную (грубо-, средне- и тонкошлифованную), лощеную и полированную.

Фактурная обработка должна в наибольшей степени раскрывать цвет, кристаллическое строение и текстуру камня и в то же время способствовать наибольшей его сохранности в облицовке. Ударные фактуры (фактуры скалывания), выполняемые с помощью ручных, пневматических и других полумеханизированных инструментов, несколько разрушают поверхностный слой камня, понижают его морозостойкость и долговечность и поэтому должны применяться для твердых пород. Абразивные фактуры получают шлифованием и полированием пиленой поверхности камня. Они сглаживают поверхность камня, уменьшают его запыление, задерживают впитывание влаги и делают камень более долговечным.

Фактуру лицевой поверхности можно получать также с помощью ультразвука (с выявленным цветом и рисунком камня), термоинструментов (с получением шероховатой поверхности со следами шелушения), огневой, пескоструйной, водоструйной обработки и др. В последнее время очень востребован эффект состаривания камня. В этом случае выбоины и трещины выступают в роли элементов декора, придающего современному изделию вид антикварной редкости. В создании декоративных каменных композиций архитекторы и дизайнеры все чаще стали использовать также сочетания камней с полированной и шероховатой поверхностью.

Качество готовых облицовочных изделий оценивается декоративностью горной породы (совокупностью художественноэстетических свойств поверхности, оцениваемых по показателям полируемости, цвета, рисунка, структуры), показателями внешнего вида (фактурой и качеством лицевой поверхности, наличием повреждений углов, сколов, раковин, трещин), геометрическими размерами и формой (отклонением от геометрических размеров, плоскостности), физико-механическими характеристиками (ГОСТ 9479), долговечностью и др. Соответствие внешнему виду облицовочных изделий (общая окраска, рисунок прожилок, структура и характер поверхности) устанавливается по образцу-эталону, параметры и методика которых приведены в стандартах. За долговечность принимается количество лет эксплуатации до начала разрушения камня. Для кварца начало разрушения наступает через 650 лет, гранитов и лабрадоритов – 220…350 лет, мраморов – 20…130 лет.

В номенклатуру архитектурно-строительных изделий (ГОСТ 23342) входят плиты цокольные и камни для обрамления порталов, пояски карнизов, угловые и подоконные плиты, элементы лестниц и площадок, ступени, проступи, парапеты и т.п. Из горных пород получают также плиты для покрытий дорожных одежд пешеходных зон (СТБ ЕN 1341), камни для мощения дорожных покрытий пешеходных и транспортных зон (СТБ ЕN 1342), бортовые камни (СТБ ЕN 1343), брусчатку для дорожных покрытий (ГОСТ 23668), прессованные, формованные или склеенные из кусков камня декоративные плиты (СТБ 1101), декоративные песок и щебень (ГОСТ 22856) и другие изделия. Их изготовляют из тех же пород, что и облицовочные плиты, и придают самую разнообразную фактуру лицевой поверхности. Используются также в строительной промышленности и отходы от обработки горных пород – для производства композиционных материалов, как добавки т.д.

7. Защита от коррозии природных каменных материалов и изделий в конструкциях и сооружениях

Природные каменные материалы и изделия даже из самых прочных горных пород подвергаются медленному разрушению, называемому коррозией. По аналогии с разрушением горных пород в природных условиях такой процесс еще называют выветриванием. Ухудшаются при этом и декоративные качества изделий.

Основная причина коррозии природного камня в строительных конструкциях и сооружениях – физико-химическое воздействие среды, в том числе воды, в присутствии которой особенно сильно проявляется влияние других разрушающих факторов. Вода может содержать растворенные в ней газы (CO₂, SO₂ и другие кислотные соединения), что приводит к химическому взаимодействию с составляющими природного камня, их постепенному растворению или накоплению продуктов реакции. Особенно подвержены такому виду коррозии карбонатные горные породы.

При замерзании воды в порах и трещинах камня возникают большие внутренние напряжения, превосходящие иногда прочность самих материалов. Кроме того изменение температуры приводит к появлению на поверхности природного камня (особенно из полиминеральных пород) микротрещин, которые становятся очагами дальнейшего разрушения. В этом случае их образование обусловлено различными коэффициентами линейного расширения минералов.

Разрушающее влияние оказывает также и попеременное увлажнение и высыхание каменного материала, даже при отсутствии отрицательных температур, воздействие органических кислот, различных микроорганизмов и растений (мхи, лишайники, грибы). Поселяясь в порах и трещинах камня, они извлекают для своего питания щелочные соли и выделяют органические кислоты, которые вызывают биологическое разрушение камня (биологическая коррозия). Степень и скорость разрушения природного камня в сооружениях всецело зависит от его химикоминералогического состава и структуры, выражающихся в наличии размокающих и растворяющих составляющих, пор, микротрещин и микрослоистости породы. Следовательно, помимо разрушающего физико-химического воздействия окружающей среды развитию коррозионных процессов в природном камне способствуют также состояние его поверхности (шероховатая или полированная), полиминеральность, пористость и трещиноватость.

Все мероприятия по защите каменных материалов от разрушения предусматривают, как правило, защиту их от длительного воздействия влаги и повышение их поверхностной плотности. В зависимости от механизма воздействия на материал различают конструктивные, механические и химические меры защиты.

Конструктивные меры защиты предусматривают изоляцию поверхности камня от источников агрессии: быстрый отвод воды; устройство требуемых для стока воды уклонов, правильных сочленений и примыканий элементов облицовки; отсутствие выступов и карнизов, на которых могли бы задерживаться снег и влага; герметизация швов между изделиями и др.

Механические меры защиты выражаются в устройстве гладких или полированных поверхностей каменных материалов (шлифовка и полировка), не способных задерживать дождевые и талые воды и пропускать агрессивные среды внутрь каменного материала.

Химический способ предусматривает обработку лицевой поверхности камня различными составами и создание плотного водонепроницаемого слоя. К химическим мерам защиты относят:

• флюатирование, т.е. обработку поверхности каменного материала водными растворами (например, растворами солей кремнефтористо-водородной кислоты). Такие соли (флюаты) вступают в химическое соединение с растворимыми компонентами камня с образованием фтористых солей Ca и Mg и кремнезема, нерастворимых в воде, которые уплотняют поверхность камня и делают ее недоступной для агрессивных сред;
• гидрофобизацию, которая производится с целью придания поверхности водоотталкивающих свойств, уменьшения запыленности фасадов зданий и предупреждения образования высолов. Для гидрофобизации применяют кремнийорганические жидкости типа ГКЖ, «Аквасил» и др.;
• пропитку поверхности слоя растворами мономеров с последующей полимеризацией их в порах камня и др.

Химические меры защиты особенно эффективны для защиты карбонатных и пористых пород. Однако наиболее гарантированным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава и структуры материала.

Естественные каменные строительные материалы

Земная кора, состоит из горных пород, которые в свою очередь сложены из минералов.

Минералы отличаются от других веществ по двум признакам: 1) к минералам относятся только однородные (гомогенные) тела; 2) к минералам относятся только продукты природных физико химических процессов.

Важнейшие свойства минералов.

Для распознавания минералов наибольшее значение имеют следующие свойства: химический состав, кристаллографические очертания, цвет, блеск, излом, плотность, твердость и спайность. Последние два свойства, а также выветриваемость, коэффициент температурного расширения и некоторые другие характеризуют техническое качество отдельных минералов.

Цвет минералов — весьма изменчив, тем не менее минералы делятся на светлые (кварц, полевые шпаты) и темноокрашенные (оливин, пироксены и амфиболы).

Блеск минералов бывает различный: металлический (пирит), стеклянный (кварц), перламутровый (мусковит), шелковистый (волокнистый гипс), жирный (тальк) и др.

Излом это вид поверхности у осколков минерала. Различают излом: раковистый (кварц,), землистый (мел), зернистый (мрамор), крючковатый и занозистый и т. п.

Спайность это способность некоторых минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям и давать на поверхности раскола гладкие плоскости, называемые плоскостями спайности. Различают спайность: 1) весьма совершенную (у слюды), когда минерал расщепляется на тонкие пленки, 2) совершенную (у полевых шпатов, кальцита), когда осколки ограничены правильными плоскостями, и 3) несовершенную (у кварца), когда при раскалывании получаются неровные поверхности. Спайность может проявляться по одному направлению (слюда), по двум (полевые шпаты) и по трем направлением (кальцит, каменная соль).

Твердость это способность минерала оказывать сопротивление царапанию. Для диагностики минералов используется относительная шкала твердости Мооса, где 10 минералов (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд и алмаз), расположены в порядке возрастания твердости, так, что каждый последующий минерал оставляет царапину на предыдущем.

Выветриваемость это подверженность минералов (а также и горных пород) изменениям под действием разнообразных атмосферных факторов.

Горными породами называются природные образования, состоящие либо из одного и того же минерала (мономинеральные породы), либо из нескольких минералов (полиминеральные породы). В отличие от минерала порода характеризуется значительным объемом, строением и формой залегания.

Согласно генетической классификации все горные породы делятся на три группы:

1. магматические или изверженные (первичные) горные породы;
2. осадочные (вторичные) горные породы;
3. метаморфические горные породы.

§ 2. Магматические горные породы

1. Процессы при образовании и классификация

Магматические (первичные) горные породы образовались в результате извержения и остывания магмы (каменного расплава, находящегося в недрах земли). Если порода образовалась по схеме, представленной на рис. 1а, то она называется глубинной или интрузивной. Если же порода произошла в результате остывания магмы, излившейся наружу, согласно схеме на рис. 1б, то она называется излившейся или эффузивной.

Кроме этих двух групп пород, являющихся массивными, при выбрасывании лавы из вулканов в виде выплесков и брызг образовались рыхлые вулканообломочные породы: вулканические пепел и песок.

Классификация магматических горных пород, процессы при их образовании и основные представители приведены на рис. 2.

2. Минералогический состав магматических горных пород

Все главные породообразующие минералы магматических горных пород можно разделить на четыре группы: 1) кварц, 2) полевые шпаты, 3) слюды и 4) темноокрашенные. Последние в отличие от почти бесцветных кварца и полевых шпатов являются сильно окрашенными. Сопоставление минералов магматических горных пород приведено в табл. 1.

Кварц. В породах кварц (кристаллический кремнезем — SiO2) по преимуществу присутствует в виде обыкновенного кварца — непрозрачных или только слабо просвечивающих плотных зерен, имеющих стеклянный блеск и окрашенных в разнообразные цвета.

Весьма характерно для кварца, что кислоты на него не действуют, за исключением плавиковой. Благодаря химической инертности, кварц почти не выветривается, вследствие чего он является последним остатком от разрушения пород, его содержащих. В то время как остальные минералы превращаются в тончайшие продукты разрушения (глину), кварц образует песок.

Полевые шпаты. К полевым шпатам относится группа из многих минералов, обладающих близкими физическими и химическими свойствами. Все минералы этой группы характеризуются светлыми оттенками разнообразных цветов. От кварца они отличаются .меньшей твердостью (6 по шкале Мооса) и присущей им совершенной спайностью.

Полевые шпаты делятся на две группы: 1) ортоклаз, что в переводе с греческого значит прямо раскалывающийся, и 2) плагиоклазы, что означает косо раскалывающиеся.

В ортоклазе плоскости спайности образуют прямой угол, а в плагиоклазах — отличный от прямого (около 86°).

По химическому составу ортоклаз представляет собою алюмосиликат калия, а плагиоклазы — серию минералов, крайними членами которой являются альбит (алюмосиликат натрия) и анортит (алюмосиликат кальция). Все промежуточные члены между альбитом и анортитом рассматриваются как изоморфные смеси того и другого в различных пропорциях.

Если обратиться к химическим формулам .плагиоклазов, то легко видеть, что в альбите, в формулу которого входит 6SiO2, должен преобладать кремнезем (его содержание в альбите составляет 68,68 %), и наоборот, в анортите, в формулу которого входит всего только 2SiO2, кремнезем находится уже в подчиненном количестве (43,16 %). Поэтому альбит и олигоклаз должны быть причислены к кислым плагиоклазам, а анортит с примыкающим к нему битовнитом — к основным. Само собой разумеется, ортоклаз нужно рассматривать как кислый полевой шпат. Все полевые шпаты сравнительно легко выветриваются и превращаются в каолин — наиболее чистую разновидность глины.

Слюды. Из слюд в качестве породообразующих минералов наибольшее значение имеют биотит (черная слюда) и мусковит (прозрачная слюда). От других минералов слюды отличаются весьма совершенной спайностью и низкой твердостью (2-2,5).

Если слюды входят в состав горной породы в значительном количестве, они сильно ухудшают ее механические свойства; при большом содержании слюды затрудняется также получение хорошей полированной поверхности.

Пироксены и амфиболы. Пироксенами и амфиболами называются две группы сходных между собою минералов, каждая из которых насчитывает по несколько представителей. Для пироксенов наиболее характерным минералом является авгит, а для амфиболов — роговая обманка, почему часто пироксены называются авгитами, а амфиболы—роговыми обманками.

Лучшим отличительным признаком этих минералов служит угол, образуемый плоскостями спайности; у роговой обманки он равен 124°, а у авгита — 87°. Как амфиболы, так и пироксены отличаются от остальных минералов очень темной окраской и высокой плотностью от 3,0 до 3,6 г/см3. В отношении выветривания они превосходят полевые шпаты.

Рассмотрение табл. 1 позволяет сделать несколько весьма важных заключений.

Содержание в минералах кремнезема понижается по мере движения по таблице сверху вниз. Наверху таблицы стоит кварц, состоящий из 100% SiO2, внизу – темноокрашенные минералы с малым, порядка 35-50 %, содержанием кремнезема. Соответственно этому кислотность магматических горных пород будет зависеть от преобладания тех или иных минералов.

Магматические породы составлены по преимуществу из различных силикатов и алюмосиликатов! Этим они отличаются от осадочных пород, в которых над солями кремневой кислоты (силикатами) преобладают соли других кислот, в первую очередь угольной, отчасти серной и т. д.

Окраска минералов изменяется от светлой (вверху таблицы) до темной (внизу), так что все кислые породы будут слабо окрашенными, все основные, наоборот, окрашенными весьма сильно.

Сравнение плотности породообразующих минералов показывает нам, что породы с повышенным содержанием темных составляющих, будут характеризоваться бóльшим весом, чем породы кислые, светлоокрашенные.

По стойкости в отношении выветривания наименее желательными в породе являются полевые шпаты, которые выветриваются весьма быстро.

3. Структура магматических горных пород

Наиболее характерными для магматических горных пород являются две структуры: зернисто-кристаллическая (гранитная) и порфировая (рис. 3). Структура горной породы называется зернисто-кристаллической в том случае, когда отдельные минеральные зерна различимы простым глазом и приблизительно одинаковы по размеру.

Существует разновидность зернисто-кристаллической структуры, называемая порфировидной, т. е. похожей на порфировую. Когда порода содержит вкрапленники весьма больших размеров и имеет окружающую их основную массу зернисто-кристаллическую, то это напоминает сильно увеличенную порфировую структуру.

Зернисто-кристаллическая структура характерна преимущественно для глубинных пород, т. к. могла получиться только при медленном охлаждении горной породы, когда ничто не мешало полной ее кристаллизации. Наоборот, порфировая структура присуща излившимся породам. Наличие в последних вкрапленников можно объяснить тем, что кристаллизация магмы начиналась еще в недрах земли, когда температура снижалась очень медленно. После излияния магмы на поверхность застывала оставшаяся масса, но уже при достаточно быстром охлаждении, почему она и получилась плохо закристаллизованной.

Равномерно-зернистые породы превосходят в техническом отношении породы с порфировидной структурой, причем технические свойства (механическая прочность, стойкость против выветривания) повышаются обычно с уменьшением средней величины зерна. Породы порфировой структуры в техническом отношении стоят тем ниже, чем больше в них стекла. Породы стекловатые (например чистое вулканическое стекло — обсидиан) очень хрупки и плохо выдерживают температурные колебания.

4. Классификация магматических горных пород по структуре и минералогическому составу

Классификация магматических горных пород по структуре и минералогическому составу представлена в табл. 2.

В центральной части в трех строках таблицы приведены главнейшие магматические горные породы, употребляемые в качестве строительного материала. Под каждым наименованием глубинных пород записаны по два представителя излившихся, которые являются полными аналогами их по минералогическому составу и отличаются лишь структурой. Одна и та же магма могла застыть или на глубине или на поверхности земли. Минералогический состав пород мы можем прочитать в том же столбце таблицы сразу над ними. Например, о минералогическом составе гранита и его аналогов (кварцевого порфира и липарита) читаем: кварц – есть, из полевых шпатов присутствует ортоклаз, темноокрашенных минералов – мало. Если мы проследим по таблице слева направо.

за минералогическим составом, то увидим, что кварца (самого кислого минерала), кроме как в граните и его аналогах, в других породах нет. Содержание темноокрашенных минералов (наиболее основных) возрастает от гранита к габбро, а в группе полевых шпатов представители сменяются так, что в граните и его аналогах присутствует самый кислый представитель – ортоклаз, а в габбро, диабазе и базальте – наиболее основной представитель плагиоклазов — битовнит или анортит. По мере того как мы движемся слева направо, наблюдается уменьшение содержания SiO2, другими словами, снижение кислотности пород. Если вспомнить сказанное в отношении минералов ( см. табл. 1), то можно также еще добавить, что породы, занимающие правую часть таблицы 2, характеризуются более высокой плотностью и более темной окраской по сравнению с породами, находящимися в левой части таблицы. Параллельно увеличению содержания темноокрашенных минералов возрастает механическая прочность пород.

5. Интрузивные (глубинные) горные породы

Все интрузивные горные породы: гранит, сиенит, диорит и габбро весьма сходны между собою по своим техническим свойствам. Они все обладают большой плотностью, ничтожно малой пористостью и сравнительно высокой механической прочностью.

Гранит. Минералогический состав гранита в среднем таков: кварца от 20 до 40%, ортоклаза (реже щелочного плагиоклаза) от 40 до 60%, слюды или роговой обманки (редко авгита) от 5 до 20%.

Структура гранитов преимущественно зернисто-кристаллическая, иначе гранитная (название гранит происходит от латинского слова granum — зерно) и в некоторых случаях порфировидная. Примером гранитов с порфировидной структурой может служить финляндский гранит рапакиви, в котором встречаются вкрапленники ортоклаза с куриное яйцо и более. Красные граниты большинства зданий Санкт-Петербурга имеют порфировидное строение.

Цвет гранитов определяется цветом главной его составной части—ортоклаза. В зависимости от окраски последнего он бывает серый, желтоватый, красноватый, до мясо-красного.

Технические свойства гранита. Плотность гранита колеблется около 2,7 и повышается с увеличением в породе количества темноокрашенных минералов. Временное сопротивление сжатию для гранитов (как и вообще для всех естественных камней) колеблется в очень широких пределах от 80 до 330 МПа. Большей прочностью обладают граниты с мелкозернистой структурой. Увеличение содержания слюды понижает механическую прочность гранита, кроме того слюда препятствует получению хорошей полированной поверхности, т. к. легко выкрашивается, оставляя щербины. Наоборот, повышение содержания пироксенов или амфиболов является желательным – возрастают механические свойства и способность гранитов принимать полировку.

Стойкость гранита против выветривания в основном достаточно высокая. Лишь отдельные его представители, к которым относится финляндский гранит рапакиви (что значит гнилой камень), широко раньше применявшийся в строительстве Петербурга, разрушаются довольно быстро. Гранит хорошо сопротивляется истиранию, почему он является ценным материалом для изготовления лестничных ступеней, плит для тротуаров, в дорожной одежде. В глубинных горных породах сопротивление истиранию повышается с возрастанием количества темноокрашенных минералов.

Обработка и отделка магматических горных пород настолько дорога (из-за высокой твердости входящих в них минералов), что они редко применяются в обычных зданиях, а используются по преимуществу в сооружениях, особо ответственных, или представляющих большую архитектурную ценность.

Применение гранита. Гранит употребляется в виде штучных камней для фундаментов дорогих зданий, для подпорных стенок, для устройства набережных, для внешней облицовки стен. Часто из него изготовляются тротуарные плиты, ступени. В более крупных кусках гранит употребляется для колонн зданий и памятников. В кусках малого размера он идет для устройства мостовых; для дробления на щебень и т. д.

Сиенит. Отличается от гранита отсутствием кварца; состоит из ортоклаза и темного минерала, чаще всего роговой обманки.

Применяется как и гранит, отличаясь от последнего меньшей твердостью, повышенной вязкостью, в особенности при значительном содержании роговой обманки или авгита, и способностью лучше принимать полировку. Является ценным материалом для мощения дорог и получения щебня.

Диорит. Состоит в основном из кислого плагиоклаза и роговой обманки, реже биотита и авгита; плагиоклаз составляет в среднем 75 % породы.

Соответственно изменению минералогического состава диорит характеризуется более темной окраской, нежели гранит и сиенит, более высокой плотностью (2,75-3,0) и прочностью при сжатии.

Употребляются диориты как дорожный материал (брусчатка, щебень), в виде штучных камней и в качестве декоративного материала (благодаря способности отлично полироваться).

Габбро. Существенными минералами в габбро являются основной плагиоклаз (около 50%) и пироксен, реже роговая обманка. Цвет в большинстве случаев темно-зеленый различных оттенков. Плотность 2,8—3,1, прочность при сжатии в мелкозернистых разновидностях 200-280 МПа, падая в крупнозернистых до 100 МПа. Габбро тяжело обрабатывается, но хорошо принимает полировку.

Из декоративных разновидностей глубинных пород особого упоминания заслуживает лабрадорит, крупнозернистая разновидность габбро, характеризующаяся преобладанием плагиоклаза лабрадора над другими минералами. Лабрадорит отличается так называемой ирризацией, т. е. игрой отблесков различных цветов: синего, голубого, зеленого и других. Лабрадорит был например применен для внутренней облицовки мавзолея Ленина, а также для облицовки панелей простенков между окнами “Дома Книги” в Санкт-Петербурге.

6. Эффузивные (излившиеся) горные породы

Для излившихся пород характерна способность давать сильно пористые разности (например, пемзу). Образование таких пористых разновидностей объясняется выделением газов, насыщавших магму в недрах земли. При понижении давления, в результате извержения магмы, растворенные в ней газы выделялись наружу и вспенивали массу в процессе ее застывания. Эффузивные породы могут быть как пористыми, так и плотными, в отличие от интрузивных, которые, в силу условий их образования на глубине, пористых разновидностей давать не в состоянии.

Кварцевый порфир и липарит. Кварцевый порфир и липарит по химическому и минералогическому составу аналогичны граниту. От последнего они отличаются своей порфировой структурой. Вкрапленниками в них являются кварц и, часто, полевой шпат. Стекловатая разность кварцевых порфиров и липаритов называется вулканическим стеклом или обсидианом.

Цвет кварцевых порфиров и липаритов серый, желтоватый, бледнокрасный и кирпично-красный. Друг от друга кварцевый порфир и липарит отличаются своим возрастом и свежестью составляющих их минералов, кварцевые порфиры подверглись изменениям и несколько темнее липаритов.

Технические свойства кварцевых порфиров и липаритов повышаются с уменьшением количества в них вкрапленников. Поэтому плотные фельзиты (породы без вкрапленников) принадлежат к лучшим сортам строительного камня; механическая прочность их достигает 280 МПа. Наименее выгодной является стекловатая структура, ибо порода в этом случае обладает хрупкостью и легче поддается выветриванию. Все сказанное может быть распространено и на остальные эффузивные породы.

Кварцевые порфиры и липариты довольно широко используются в качестве штучного камня и в виде декоративного и поделочного материала, в том случае когда они имеют красивый цвет и рисунок.

Ортоклазовый порфир и трахит представляют излившиеся аналоги сиенита. От предыдущих излившихся пород они обличаются отсутствием кварца. Характеризуются повышенной пористостью и, благодаря этому, сравнительно малой объемной массой (2,20—2,61) и малым временным сопротивлением сжатию, в среднем 60-70 МПа. Окраска серая до зеленовато-серой, желтоватая и красноватая.

Эти породы легче обрабатываются и быстрее истираются, нежели предыдущие. Трахит в силу своего пористого, ячеистого сложения не поддается полировке, а в силу присущей ему шероховатости (трахит по-гречески означает шероховатый) хорошо связывается со строительными растворами.

Порфирит и андезит по минералогическому составу тождественны диориту. Окраска их колеблется от светлосерой до темносерой, причем порфириты характеризуются, как правило зеленоватыми тонами. Объемная масса находится в пределах 2,56— 2,85 г/см3; временное сопротивление сжатию колеблется между 120-240 МПа. Применяются в качестве строительного камня для самых разнообразных целей.

Диабаз и базальт. Диабаз и базальт тождественны по минералогическому составу габбро и благодаря обилию в них темных составляющих характеризуются почти черной окраской и матовым тусклым видом. Диабазы являются продуктом более древнего времени, базальты же относятся к молодым породам.

Диабаз является отличным материалом для мощения улиц, для чего его применяют в виде диабазовой шашки (брусчатки). Механическая прочность диабазов почти всегда превышает 200 МПа.

Базальт является наиболее тяжелой и наиболее прочной из всех рассмотренных излившихся пород, его объемная масса равна 2,7—3,3 г/см3, а прочность лучших образцов может достигать 500 МПа, что превосходит глубинные породы. Для базальтов характерна высокая хрупкость, вследствие чего они сравнительно легко раскалываются.

Базальт хорошо полируется, однако из-за высокой твердости трудно поддается обработке.

Базальт применяется как в дорожном деле, так и для ответственных инженерных сооружений. Базальт является сравнительно легкоплавкой породой, поэтому используется для получения изделий путем литья. В строительстве используются теплоизоляционные и акустические материалы на основе базальтовой ваты.

7. Вулканообломочные породы

Лавой обычно называют огненно-жидкие продукты извержения вулканов. Лавы содержат в себе в растворенном состоянии значительное количество газообразных продуктов, которые или успевают выделиться до застывания лавы (плотные лавы) или вспенивают ее придавая ей пористую или пузырчатую структуру.

Помимо потоков жидкой лавы, вулканы при извержениях выбрасывают в воздух колоссальное количество той же лавы в раздробленном состоянии (вулканические песок и пепел). Последние иногда так и сохраняются в рыхлом состоянии (пуццолана), а иногда подвергаются последующей цементации, превращаясь в более или менее плотные породы, которые называются вулканическими туфами. Наконец, когда к жидкой лаве при вулканических извержениях примешиваются рыхлые продукты вулканической деятельности, порода называется туфовой лавой.

Артикский туф. Около ст. Артик (Армения), расположены большие разработки туфовой лавы вулкана Алагез, которая не совсем правильно называется артикским туфом. По своим техническим свойствам является ценным строительным материалом для стен Жилых зданий при обязательном, однако, оштукатуривании стен снаружи.

По внешнему виду артикский туф представляет собою пористую, звонкую при ударе породу в основном розовато-фиолетового цвета с различными оттенками. При плотности 2,56 средняя объемная масса породы равна 1200 кг/м3. Соответственно малому объемному весу артикский туф характеризуется высокой пористостью и малой теплопроводностью; истинная пористость породы составляет 57-60 %, коэффициент внутренней теплопроводности в сухом состоянии в два раза меньше, чем для красного кирпича; соответственно этому толщина стены из артикского туфа может быть уменьшена вдвое по сравнению с кирпичной. Механическая прочность артикского туфа невелика, но вполне достаточна для применения его в стенах зданий; его временное сопротивление сжатию в среднем равно 10,5 МПа. Помимо этого артикский туф достаточно морозостоек, легко обрабатывается (его можно пилить обыкновенной пилой) и хорошо держит вбиваемые в него гвозди.

§ 3. Осадочные горные породы

1. Процессы при происхождении и классификация

Первичные горные породы, находящиеся на земной поверхности, подвергаясь выветриванию, т. е. разрушению под воздействием разнообразных атмосферных факторов (воздуха, воды, смены температур, растительных и животных организмов и т. п.) постепенно превращаются в рыхлые продукты разрушения, которые отчасти ветром и льдом, главным же образом водой, сносятся в более низкие места, закрытые водные бассейны, моря и океаны, где происходит их осаждение. Произошедшие таким образом горные породы называются вторичными или осадочными.

Вода может переносить продукты разрушения двумя путями: 1) механически — мелкие частицы во взвешенном состоянии, а крупные — перекатывая по дну; 2) в виде водного раствора, т. к. некоторые продукты образуются в растворимом в воде состоянии. В зависимости от этого и образование осадка может быть либо в результате механического выпадения частиц из потока, в случае, например, сильного замедления течения реки, либо в результате выделения растворимого вещества в осадок, в случае, например, испарения воды, или химических реакций, в результате которых образуются нерастворимые соединения. Кроме того, образование осадка происходит в результате жизнедеятельности низших животных или растительных организмов. Поэтому осадочные породы подразделяют на механические осадки или обломочные породы, физико-химические осадки и органогенные породы (рис. 4).

Рыхлые механические осадки (глина, песок, гравий, щебень) с течением времени могут быть пропитаны каким-либо природным связующим веществом и сцементированы им в сплошную монолитную массу. К сцементированным породам относятся, например, песчаник (сцементированный песок), конгломерат (сцементированный гравий), брекчия (сцементированный щебень).

Органогенные породы в свою очередь подразделяются на две группы. Если они произошли в результате жизнедеятельности животных организмов, их называют зоогенными, если растительных — фитогенными. К первым относиться известняк-ракушечник, ко вторым —диатомит, трепел, опока. Диатомит образовался из скоплений панцирей микроскопических водорослей — диатомей, состоящих преимущественно из аморфного кремнезема. Трепел – порода, вторичная по отношению к диатомиту, состоящая из мельчайших зерен опала (разновидности аморфного кремнезема), округлой формы. Опока является продуктом уплотнения диатомитов и трепелов.

2. Минералогический состав осадочных горных пород

В осадочных породах, таких как механические осадки, могут встретиться все минералы первичных пород. Однако для осадочных горных пород характерны и свои, присущие только им минералы. В то время как в магматических породах преобладают соли слабых кислот (кремневой и алюмокремневой) в осадочных горных породах силикаты и алюмосиликаты играют подчиненную роль, уступая первое место солям сильных кислот: угольной, серной и т. д.

Из минералов, присущих только осадочным горным породам, наибольшее значение имеют следующие: кальцит, магнезит, доломит, гипс и каолинит (табл. 3).

Кальцит (известковый шпат). Химический состав кальцита выражается формулой СаСО3. Он встречается в составе известняков и мраморов как в виде прекрасно образованных кристаллов, так и в виде сплошной массы разнообразного сложения, зернистой или плотной. Чистый кальцит бесцветен, при наличии же примесей он бывает сероватым, или белым, или окрашенным в светлые оттенки голубого, желтого, бурого и других цветов. Твердость кальцита равна 3, он характеризуется весьма совершенной спайностью по трем направлениям.

Кальцит распознают по реакции с соляной кислотой, с которой он хорошо реагирует даже на холоду, выделяя с характерным вскипанием углекислый газ. Растворимость кальцита в обычной воде ничтожно мала, однако он хорошо растворяется в воде, содержащей CO2. Последнее обстоятельство нужно учитывать при использовании строительного камня из пород, богатых СаСОз.

Магнезит и доломит. В природе углекислый магний, встречается в виде минерала магнезита (MgCO3) в составе одноименной породы. Как естественный строительный камень магнезит значения не имеет, он главным образом идет для изготовления огнеупорных изделий и для приготовления вяжущего вещества — каустического магнезита.

Доломит представляет по химическому составу двойную соль углекислых кальция и магния; формула его такова: CaCO3·MgCO3. Он встречается как в кристаллическом виде, так и в виде зернистых и, реже, землистых масс в составе породы с таким же названием. Применяется как и магнезит в производстве огнеупоров и для получения вяжущего вещества – каустического доломита.

Твердость магнезита и доломита примерно одинакова 3,5—4. Различают их по действию соляной кислоты. Магнезит не реагирует с соляной кислотой ни при каких условиях, а доломит реагирует, но плохо; при подогревании выделяет СО2. В горных породах кальцит и доломит сопутствуют друг другу в различных соотношениях.

Гипс и ангидрит. Природный гипс представляет собой водную сернокислую соль кальция CaSO4 ·2Н2О. Помимо гипса встречается безводная соль — CaSО4 , называемая ангидритом. Ни тот, ни другой как естественные камни, в строительстве не употребляются. Гипс может иногда являться цементирующим веществом в песчаниках. Главное применение гипса и ангидрита – получение гипсовых вяжущих веществ.

Каолинит. Каолинит (Al2O3 ·2SiO2 ·2Н2O) образуется при выветривании полевых шпатов и является главной составной частью многих глин. Чистый каолинит имеет белый цвет, землистый вид, на ощупь слегка жирен и легко рассыпается. Твердость 1.

Водный кремнезем. Минерал состава SiO2 в осадочных породах в отличие от магматических горных пород присутствует не только в кристаллическом состоянии (в виде кварца), но также и в аморфном виде, часто в соединении с водою (SiO2·nH2O); таков например опал, содержащий до нескольких процентов воды. Водный аморфный кремнезем слагает такие осадочные породы как диатомит и трепел, а также является очень прочным природным цементирующим веществом, заполняя промежутки между зернами песка (в песчаниках), и кальцита (в известняках).

3. Структура осадочных горных пород

Важнейшее значение имеют следующие виды структур.

• Зернисто-кристаллическая (мраморовидная), когда порода состоит из кристаллических зерен, ясно различимых простым глазом или под микроскопом. В зависимости от среднего диаметра составляющих породу зерен различают: мелко- (0,25-0,75 мм), средне- (0,75-1,25 мм), крупно- (1,25-2 мм) и грубозернистую структуру (2-3 мм).
• Плотная (иначе тонкозернистая), когда зерна трудноотличимы друг от друга даже под микроскопом. Условно к плотным относят породы зернисто-кристаллической структуры с величиной зерна менее 0,25 мм
• Оолитовая, когда порода состоит из круглых шариков радиально- концентрического сложения, сцементированных тем или иным естественным цементирующим веществом. Встречается у известняков, называемых в этом случае оолитовыми.
• Обломочная (кластическая), когда горная порода состоит из обломков минералов или горных пород, сцементированных тем или иным природным цементом. Такую структуру имеют песчаники, конгломераты и брекчии.
• Пенистая или туфовая – структура пористых горных пород и другие.

4. Рыхлые обломочные горные породы

В зависимости от размера частиц условно различают следующие рыхлые породы: глину (5 мм), булыжники и валуны (крупные камни).

Глина представляет собой мучнистую, тонкодисперсную породу, сложенную так называемыми глинообразующими минералами: каолинитом, монтмориллонитом (Al2O3·4SiO2·nH2O), гидрослюдами и некоторыми другими, которые состоят из отдельных тончайших частиц (

Глины образуются в результате выветривания горных пород, богатых полевыми шпатами (гранита, сиенита, гнейса, порфира и т. д.) (См. также § 2, гл. 6).

Песок. Пески могут быть кварцевые, полевошпатовые, известковые, доломитовые и т. д.

Речной песок, морской и озерный пески, характеризуются округлой формой зерен и хорошо обточенной поверхностью. Горный и овражный пески имеют угловатую форму и шероховатую поверхность зерен.

Большие количества песка расходуются для приготовления строительных растворов и бетонов, в дорожном деле для устройства оснований дорог и приготовления асфальтобетона. Громадные количества песка потребляет железнодорожное строительство. Чисто кварцевые (без примесей) пески высоко ценятся и употребляются как сырье в стекольной, керамической и металлургической промышленности.

Гравий и щебень. Щебень является породой первичной по отношению к гравию, он образуется непосредственно из материнской породы при ее разрушении и поэтому состоит из обломков, имеющих угловатую, острогранную, неокатанную форму. Гравий образуется из щебня в руслах рек, по берегам морей и озер. Частицы гравия имеют окатанную форму и гладкую поверхность.

Гравий и щебень применяются в дорожном деле, в качестве балласта для железных дорог и как заполнитель для бетона.

Валуны (булыжные камни). Валунами в строительной практике принято именовать обломки горных пород ледникового происхождения, по размерам превышающие гравий.

Валуны употребляются в бетонном и дорожном деле для получения щебня. Издавна булыжный камень применяли для мощения улиц. Наиболее крупные валуны могут быть использованы в качестве штучного камня для построек.

5. Сцементированные обломочные породы

Сцементированные обломочные породы образуются из рыхлых отложений в результате их уплотнения и воздействия просачивающейся сквозь них воды, несущей в себе то иди иное цементирующее вещество.

Песчаники. Различают следующие виды песчаников, перечисленных в порядке возрастания их технических качеств: 1) глинистый; 2) гипсовый; 3) железистый; 4) известковый; 5) кремнистый и др.

Глинистые песчаники содержат в качестве цементирующего вещества глину. Они мало прочны, морозонестойки, размягчаются в воде и быстро выветриваются.

Гипсовые песчаники относятся к слабым породам. Гипс сравнительно легко растворяется, а потому такие песчаники не обладают достаточной устойчивостью.

Железистые песчаники, сцементированные бурым или красным железняком, являются достаточно удовлетворительными строительными материалами.

Известковые песчаники, цементирующим веществом в которых является плотный или кристаллический кальцит, обладают высокой прочностью и устойчивостью. При значительном содержании в цементе MgCO3 песчаники называются доломитовыми.

Кремнистые песчаники, роль цементирующего вещества в которых выполняет кремнезем в виде кварца, халцедона или опала обладают весьма высокой механической прочностью, приближающейся к прочности магматических пород, малой истираем остью, большой твердостью и огнеупорностью. К недостаткам кремнистых песчаников должна быть отнесена лишь их трудная обрабатываемость.

В строительстве песчаники употребляются в качестве штучного камня, облицовочного материала, для изготовления щебня и т. д.

Конгломераты и брекчии. В конгломератах сцементированы округленные обломки горных пород (изверженных или осадочных), а в брекчиях— угля

Нерудные строительные материалы

Минералы природного происхождения, используемые в натуральном виде для целей строительства, но при этом не содержащие горючих веществ и металлов, носят название нерудных строительных материалов. Это, прежде всего: песок, щебень, гравий, гранит, известняк, глина. Также существуют и искусственные нерудные материалы, созданные на основе естественных минералов – бетон, керамзит, цемент.

Добыча открытым способом

Традиционным способом добычи этого вида полезных ископаемых является открытая выработка в карьерах и котлованах. Тщательно изучая условия залегания горных, осадочных, изверженных и метаморфических пород, определяют физические свойства будущего сырья для строительной индустрии. Именно они определяют геологическую структуру разрабатываемого месторождения: глубину и чередование слоёв, наличие грунтовых вод, объём вскрышных работ.

После планировки местности и принятия мер по отводу грунтовых вод, приступают непосредственно к вскрышным мероприятиям, заключающимся в снятии и удалении пустой породы в отвалы. Как правило, это наиболее трудоёмкая и затратная часть разработки месторождения, связанная подчас с взрывными работами, размыванием породы под воздействием сильного напора воды, использованием специальной землеройной техники.

С удалением поверхностного слоя, открывается доступ к нерудным материалам, разработка которых ведётся одним или несколькими уступами, высота их при этом определяется твёрдостью породы. Наиболее плотные породы взрывают, чтобы потом крупные глыбы опять же взрывать, а более мелкие – обрабатывать механическим способом. Рыхлые массивы разрабатывают экскаваторами, иногда применяя и гидромеханическое воздействие.

После чего полезные ископаемые доставляют на заводы автомобильным, железнодорожным или конвейерным видом транспорта. Где они подвергаются дальнейшей обработке.

Механическая обработка

Сортировка

Первоначальным этапом обработки нерудного сырья является сортировка. Благодаря ей добытые минералы очищаются от примесей и разделяются по крупности. В основу сортировки положены механическое, гидравлическое, пневматическое, электромагнитное воздействие, позволяющее за счёт разных физических свойств зёрен исходного материала производить распределение по фракциям.

Дробление

Для получения из горных пород песка и щебня нужных размеров применяется дробление. Четвертая часть расходов на производство нерудных строительных материалов затрачивается именно здесь. Для выполнения этой технологической операции используют конусные, молотковые, роторные, ударно-шнековые и щековые дробилки. В зависимости от плотности и фракций исходного сырья, процесс дробления может доходить до четырёх стадий.

Классификация

Процесс дальнейшего фракционирования зернистого материала находит воплощение в гидравлических или механических классификаторах, осуществляющих его разделение в зависимости от скорости падения составляющих элементов, находящихся внутри жидкости. Гидравлические классификаторы работают за счёт напора воды, а механические имеют в своём составе механизмы взмучивания и разгрузки, что позволяет и тем и другим производить по размерный отбор.

Промывка или сухая очистка

Для промывки нерудных материалов используются барабанные, вибрационные и корытные мойки. С её помощью избавляются от глины и пыли. Так как данный метод связан с большим расходом воды и трудностями последующего обезвоживания, то в последнее время стало актуальным применять сухую очистку. Путём выделения и отправления в отвал мелких зёрен, содержащих наибольшее количество примесей.

Распиловка, шлифовка, полировка, окантовка

Все эти способы (распиловка, шлифовка, полировка, окантовка) находят применение при разработке материалов высокой прочности и крупных габаритов (гранит, мрамор), а также при обработке уже готовых облицовочных плит, содержащих в своём составе нерудные минералы.

Высушивание и измельчение

Современная промышленность выпускает широкий ассортимент установок, предназначенных для сушки и измельчения сыпучих строительных материалов. Технологий, являющихся завершающей стадией в процессе получения песка, щебня, гравия, шлаков, искусственных материалов.

Хранение и транспортировка

Для перевозки сыпучих нерудных материалов используют автомобильный, водный и железнодорожный транспорт. Причём сам материал располагают, как правило, навалом, избегая перегрузки с целью недопущения потерь при транспортировке. Иногда применяют специальные прокладки или подкладки, также используют прочную тару, позволяющую производить погрузо-разгрузочные работы.

Хранение строительных материалов производится на складских площадках или в ангарах, обеспечивающих защиту от влаги и пыли, а также механических воздействий.

Применение в строительстве

Несомненными достоинствами нерудных материалов являются их распространённость в природе и возможность использования в начальном виде без обогащения и выделения какого-либо компонента. Именно благодаря своим свойствам, этот класс полезных ископаемых нашёл широкое применение во всех отраслях строительства, таких как:

• Прокладка автомобильных и железнодорожных магистралей.
• Возведение гидросооружений, мостов, защитных корпусов объектов повышенной опасности, сооружение аэродромов.
• Укладка фундаментов.
• Производство строительных смесей и материалов.
• Благоустройство территорий.
• Отделка зданий и сооружений.

Всегда и везде при строительстве любых объектов требуются песок, гравий, щебень, керамзит, цемент, бетон, кирпич и множество других изделий и материалов, в основе которых лежат нерудные минералы и элементы. Они прекрасно справляются с ролью несущих конструкций, служат в качестве гидроизоляции и утеплителей, обеспечивают многократный обмен воздуха в помещениях, а также предоставляют возможность декоративно-художественного оформления создаваемых объектов.

Месторождения в России и мире

Месторождения нерудных строительных материалов представлены в природе:

• Ангидридами и гипсами.
• Глиной.
• Карбонатами (мелом, доломитами, мергелями, туфами).
• Песками, песчаниками, песчано-гравийными смесями.
• Строительными камнями.

Территория России богата этими полезными ископаемыми:

• Песчано-гравийные месторождения присутствуют в Московской, Нижегородской, Ленинградской, Ульяновской, Самарской, Псковской, Ростовской областях. На территории Карелии, Татарстана и Чувашии. Имеются большие запасы в Красноярском крае, а также на Урале, в Иркутской области, Бурятии. На учёте находятся 1269 месторождений, из которых 600 – эксплуатируются.
• Легкоплавкие и тугоплавкие глины, а также бентониты распространены на Урале, в ряде северо-восточных областей европейской части России, а также на юге европейской части страны.
• Огромные запасы карбонатных ресурсов сосредоточены в Ростовской и Саратовской областях, на юге Карелии, в Кузбассе. Имеются месторождения на Урале, Алтае и в Саянах.
• Гипсовые залежи обнаружены в Архангельской, Псковской и Тульской областях, на Кавказе и в Иркутской области.
• В пределах нашего государства располагаются 1000 месторождений строительных камней. Это, прежде всего Карелия, а также в горные районы страны: Алтай, Урал, Саяны. Ещё: Забайкалье и Приморский край.

Если взглянуть на геологическую картину мира, то крупнейшими запасами строительных минералов обладают страны СНГ, США, Франция, Германия, Италия, Турция, Китай, Япония и Австралия.

Мировые запасы

Общемировые запасы нерудных материалов для строительства можно приблизительно оценить следующим образом:

• Песок. Самый распространённый в природе материал, ежегодное потребление которого оценивается в 100 млн. тонн. Миллионы карьеров (среднестатистический запас 24 тыс. т.), множество пустынь, залежи на дне водоёмов – позволяют с уверенностью утверждать, что его запасов хватит надолго. Причём он ещё и обладает возможностью восстановления.
• Глина и каолин – 20-25 млрд. тонн.
• Мировые запасы карбонатного сырья оценить достаточно трудно. Только на территории России его запасы оцениваются в 40 млрд. тонн, а страны СНГ располагают лишь 3,1 млрд. тонн.
• Гипс – 7,5 млрд. тонн.
• Строительный камень. При 0,4% мирового производства этого стройматериала, запасы его в России оцениваются в 20 млрд. м 3 .

Страны, добывающие нерудные материалы

Основными разработчиками нерудных материалов в мире являются:

• США – 25% мирового производства гравия и песка.
• Лидерами по добыче гипса являются Китай, Иран, Турция, США, Испания.
• Природный камень больше всего разрабатывают Китай, Индия и Италия.
• Значительными запасами и возможностью добычи мела располагают Франция, Великобритания, Германия, Дания.
• Крупнейшими экспортёрами каолина на мировом рынке выступают США, Бельгия, Великобритания, Бразилия, Украина.

Необходимо отметить, что эти данные весьма противоречивы, так как подчас фирмы-разработчики нерудных материалов, зарегистрированные в одной стране, производят добычу и разработку на территории других государств. В 2016 году крупнейшие компании производители строительных материалов представляли Францию, Ирландию, Японию, Германию и Швейцарию, это естественно не говорит о том, что на территории всех этих стран ведётся крупномасштабная разработка нерудных строительных материалов.

Источник https://extxe.com/7477/prirodnye-kamennye-materialy/

Источник http://www.mining-portal.ru/library/char_rock_mass/natura_materials/

Источник https://uglevodorody.ru/publ/nerudnye-stroitelnye-materialy