Природные каменные материалы и сырье для производства строительных материалов из горных пород ЛЕКЦИЯ 2

План лекции : 1. Горные породы как сырье для производства строительных материалов. 2. Генетическая классификация горных пород. 3. Связь условий образования, состава, структуры и свойств горных пород.

Основным природным сырьем для производства строительных материалов являются горные породы. Их используют как сырье для изготовления керамики, стекла, металла, тепло - гидроизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ – цемента, извести и строительного гипса, в качестве заполнителей для бетонов и растворов. Другим важным сырьевым источником являются техногенные вторичные ресурсы ( отходы промышленности ). Пока они используются недостаточно. Но по мере истощения природных ресурсов, повышения требований к охране окружающей среды и разработки новых эффективных технологий техногенное сырье будет применяться значительно шире. Горная порода – это природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела Минералы – это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико - химических процессов. Каждый минерал имеет определенный состав.

В зависимости от условии формирования горные породы делят на три генетические группы : - магматические - метаморфические - осадочные Магматическими ( первичные ) называют горные породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Бывают : глубинные ( интрузивные ) – граниты, сиениты, диориты, габброиды, перидотиты ; излившиеся ( эффузивные )– порфиры, андезиты, базальты, диабазы, пемза, вулканические пепел и туф ) К породообразующим минералам магматических пород относятся кварц, полевые шпаты – ортоклаз, плагиоклаз, железисто - магнезиальные силикаты, алюмосиликаты Магматические горные породы обладают высокой прочностью, стойкостью, способностью к полировке и шлифовке

Осадочными ( вторичные ) называют горные породы, образовавшиеся в результате естественного процесса разрушения первичных и других пород под влиянием механического, физического и химического воздействия внешней среды. Осадочные горные породы залегают в верхних слоях земной коры, где их объем составляет %. В зависимости от условий образования делятся на 3 основные группы : - обломочные или механические осадки ( гравий, глины, пески ) - химические осадки ( гипс и известняковые туфы ) - органогенные породы ( скелеты губок, кораллов, раковины и панцири ракообразных, также мел, доломиты, известняки ) Главные породообразующие минералы : - группа кремнезема – опал, халцедон и осадочный кварц, - группа карбонатов – кальцит, доломит, магнезит, - группа глинистых минералов – каолинит, монтмориллонит, - группа сульфатов – гипс, ангидрит Структура осадочной породы определяется размером и формой минеральных компонентов, главная особенность строения осадочных пород – их слоистость. Неслоистые породы имеют беспорядочную текстуру, которая характерна для песков и грубообломочных пород

Метаморфическими ( видоизмененные ) называют горные породы, образовавшиеся в результате последующего изменения первичных и вторичных пород, связанного со сложными физико - химическими процессами в земной коре, т. е. под влиянием высоких температур и давлений ( кристаллические сланцы, гнейсы, кварциты, мрамор ) Главные породообразующие минералы метаморфических пород – 1. минералы, распространенные и в магматических породах – полевые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, пироксены, оливин 2. типичные для осадочных пород минералы – кальцит, доломит 3. минералы, которые могут находиться в магматических породах в качестве вторичных – серпентин

Породы, в состав которых входит в основном один минерал, называются мономинеральными ( природный гипс, доломит и др.); породы, состоящие из нескольких минералов, называют полиминеральными ( гранит и др.). Условия образования горных пород предопределяют их состав, строение, характер залегания, а следовательно, и свойства. Петрографические характеристики горных пород. При изучении горных пород наряду с их физическими, механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами следует рассматривать их важнейшие петрографические характеристики, к которым относятся цвет, структура и текстура. Цвет горных пород обусловлен цветом минералов и примесей, преобладающих в составе породы. В свою очередь, цвет минералов обусловлен их химическим составом. Так, белые мраморы состоят в основном из кальцита и доломита, которые в агрегатах имеют белый цвет. Серые тона мраморов определяются присутствием углистых или других органических частиц, розовые солей марганца или окисного железа. Цвет изверженных пород определяется окраской минералов кварца, полевых шпатов и темноцветных компонентов. Цвет является важным признаком и имеет решающее значение при оценке декоративности горной породы.

Структура горной породы характеризуется особенностями строения, обусловленными размерами, формой и соотношениями образующих ее минералов. Структуры бывают кристаллические ( и зернисто - кристаллические ), порфировые, скрытокристаллические, оолитовые и т. д. Породы с кристаллической структурой состоят из полных по форме кристаллов или неполных кристаллов, называемых кристаллическими зернами ( в этом случае структура зернисто - кристаллическая ). Кристаллическую структуру имеют кварциты, мраморы, зернисто - кристаллическую - граниты. В породах с порфировой структурой отдельные кристаллы различных размеров соединены между собой значительным количеством плотного, тонкозернистого или стекловатого вещества ( например, у порфиров ). Породы со скрытокристаллической структурой отличаются большой прочностью и долговечностью. Такую структуру имеют базальты. Оолитовая структура встречается у осадочных пород, сохранивших в своем составе остатки мелких организмов раковины, скелеты ( известняки - ракушечники ). Структура играет существенную роль в формировании декоративных свойств облицовочного камня и, кроме того, влияет на его обрабатываемость.

Текстура ( сложение ) характеризует взаимное расположение составляющих породу минералов и наличие пор и микротрещин. Текстура может быть : плотная, полосчатая, сланцевая, пористая, ячеистая и др. Породы с плотной текстурой более прочны и устойчивы, они лучше полируются, чем пористые разновидности. С увеличением пористости ( ноздреватости, ячеистости ) понижается прочность и стойкость против выветривания. Сланцеватые и тонкослоистые породы анизотропный, они сравнительно менее погода устойчивы, а при ударах обладают тенденцией раскалываться по направлению сланцеватости.

Условия образования горных пород и значительной мере предопределяют характер их строения, основные свойства, а следовательно, и область применения горных пород как в строительстве, так и в промышленности строительных материалов. Глубинные горные породы ( магматические ) характеризуются высокой плотностью, морозостойкостью и малым во до поглощением. Основные виды глубинных горных пород граниты, сиениты, габбро, лабрадориты.

Граниты состоят из кварца, полевого шпата ( ортоклаза ) и слюды. Цвет гранитов зависит от основной составной части ортоклаза, а также от цвета других минералов. Они бывают светло - серые, серые, розоватые и темно - красные. Структура гранитов зернисто - кристаллическая. Плотность в среднем 2700 кг / м 3, пористость всего 0,5... 1,5 %, предел прочности при сжатии МПа. Граниты характеризуются высокой морозостойкостью и малым водопоглощением, большим сопротивлением выветриванию, хорошо обтесываются, шлифуются и полируются, однако отличаются хрупкостью и невысокой огнестойкостью. Граниты применяют для облицовки зданий и сооружений, из них и изготовляют бортовые камни, ступени и другие изделия, а также щебень для высокопрочного бетона. Месторождения гранитов имеются в Карелии, на Украине, Урале, в Закавказье и в нашей стране.

Сиениты по минералогическому составу отличаются от гранитов отсутствием кварца ( или небольшим содержанием его ) и преобладанием щелочного полевого шпата. Сиениты, содержащие заметное количество к ларца, являются переходными породами между сиенитами и гранитами. Структура сиенитов обычно равномерно кристаллическая, но встречаются и порфировидные разности. Окраска сиенитов чаще бывает серая, красноватая, темно - зеленоватая. Плотность их кг / м 3, пористость и водонасыщение у них незначительны. Предел прочности при сжатии МПа. По сравнению с гранитами они несколько мягче, лучше полируются и более вязки. Применение сиенитов то же, что и гранитов. Месторождения. Украина ( Волынская область ), Урал, Казахстан, Кавказ, Средняя Азия, США, Канада, Германия, Норвегия и др. Сиенитами сложены знаменитые Красноярские столбы. Украина Волынская область Урал Казахстан Кавказ Средняя Азия США Канада Германия Норвегия Красноярские столбы

Диориты состоят в основном из полевого шпата ( плагиоклаза ) и роговой обманки. Цвет диоритов от темного - зеленого до черного, плотность кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Диориты характеризуются высокой вязкостью, хорошей сопротивляемостью удару и истиранию, а также стойкостью против выветривания. Они хорошо поддаются полировке. Применяют диориты для дорожных покрытий и облицовок. Месторождения : Северная Америка ( Кордильеры ). Распространен в Великобритании, Центральной Азии ( Казахстан ), России ( Урал, например Сангалыкское месторождение диорита, Чёрная сопка ), и в других районах мира. Северная Америка Кордильеры Великобритании Центральной Азии Казахстан Урал Сангалыкское месторождение диорита Чёрная сопка

Габбро - самая прочная и стойкая магматическая горная порода, состоит из полевого шпата ( плагиоклаза ) и темноокрашенных минералов ( авгита и оливина ). Цвет габбро темно - серый, черный или темно - зеленый с оттенками, плотность кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Габбро имеет высокие вязкость и стойкость против выветривания. Изделия из габбро применяют в дорожном строительстве. Месторождения. Распространены в различных районах Великобритании, в Северной Америке ( в горах Адирондак ) и вдоль побережья п - ова Лабрадор ( Канада ), в ЮАР, Франции, Шотландии ( Великобритания ) и др.; крупные массивы габбро известны на Урале, Украине, Кольском полуострове, в Закавказье и др. Великобритании Адирондак Канада ЮАР Франции Шотландии Урале Украине Кольском полуострове

Лабрадориты - разновидность габбро, состоят преимущественно из полевого шпата и минерала Лабрадора. Особенно ценны те лабрадориты, которые при полировке дают декоративные поверхности с переливами синего, зеленого, золотистого и других цветов. Применяется как высококачественный облицовочный камень в основном в монументальной архитектуре, хотя некоторые образцы с яркой голубой и зелёной иризацией используются как декоративно - поделочные камни. Лабрадориты применяют в качестве декоративного облицовочного камня ( Мавзолей В. И. Ленина и др.). архитектуре Месторождения Один из наиболее распространенных минералов группы плагиоклазов, встречается в изверженных породах основного состава ( анортозитах, габбро и др.). Распространен в горах Адирондак ( США, шт. Нью - Йорк ) и Уичито ( США, шт. Оклахома ). Крупные массивы лабрадорита имеются в Канаде ( п - ов Лабрадор ), Финляндии, на Украине. плагиоклазов породах анортозитах габбро Адирондак США Нью - Йорк Уичито США Оклахома

Главнейшими излившимися магматическими горными породами, применяемыми широко в строительстве и промышленности строительных материалов, являются диабазы, порфиры, базальт. Плотность, прочность и другие свойства этих пород колеблются в широких пределах. Диабазы - древние излившиеся породы ( аналог габбро ), иногда обладающие порфировой структурой. Имеют цвет от темно - серого до черного, иногда с зеленоватым оттенком. Диабазы отличаются большой вязкостью и малой истираемостью. Плотность пород составляет кг / м 3; предел прочности при сжатии около 250 МПа ( у отдельных разновидностей он достигает 400 МПа ). Обработка диабазов затруднена ввиду их вязкости. Область использования диабазов в строительстве - архитектурно - строительные изделия для наружной облицовки зданий ; для мощения улиц ( камни бортовые и брусчатка ) и при производстве литых каменных изделий, для получения щебня. Высокая кислотостойкость позволяет применять эти породы в качестве материала для кислотоупорной футеровки

Порфиры представляют собой излившиеся горные породы, характеризующиеся порфировой структурой, т. е. наличием " вкрапленников " в основной мелкозернистой массе. Цвет порфиров от красно - бурого до серого с разнообразными оттенками, плотность кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Эта порода использовалась ещё в Древнем Риме для изготовления статуй цезарей и предметов роскоши. Изделия из порфира стали популярны со времён Клеопатры, которой принадлежало единственное в те времена разработанное месторождение порфира. Позднее порфир применялся в Европе даже в качестве булыжника для мощения улиц. Древнем Риме Клеопатры Порфиры применяют в дорожном строительстве и для изготовления облицовочных плит. Месторождения порфиров имеются в Крыму, на Кавказе, Урале и в других местах.

Базальты по химическому составу так же, как и диабазы, являются аналогами габбро. Они представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии с зернистым строением и стекловатой массой, заполняющей промежутки между зернами различных размеров. Они являются твердыми и одновременно хрупкими труднообрабатываемыми породами. Предел прочности при сжатии у базальтов достигает 500 МПа, однако в связи с содержанием стекловатой массы может снижаться до 400 МПа ; плотность их составляет кг / м 3. Наиболее ценными считаются свежие мелкозернистые базальты, не содержащие стекла. Базальты являются хорошими кислотоупорными материалами и высоко ценятся как сырье для каменного литья. Литой камень базальтин используется для получения отделочных изделий, труб, химической аппаратуры, отличающихся кислотоупорностью, высокой прочностью ( до 800 МПа ) и долговечностью. Базальты добывают в Карелии, на Украине, Кавказе, Урале, в Забайкалье и других районах страны.

Андезиты - излившиеся горные породы серого или желтовато - серого цвета, порфировой структуры, с плотной основной массой. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура - массивная или пористая. Физико - механические свойства сходны со свойствами базальтов. Плотность андезитов около 2900 кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Андезиты применяют как кислотоупорный материал, а в строительстве - для изготовления цоколей, ступеней, реже облицовочных плит. Месторождения : Армения, Курильские острова, Украина, Грузия, Камчатка, Кавказ, Средняя Азия, Приморье и др. Армения Курильские острова Украина Грузия Камчатка Кавказ Средняя Азия

Трахиты - по своему минеральному и химическому составу схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел прочности при сжатии трахитов невысок ( МПа ), а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко обрабатываются и используются в качестве строительного камня. Месторождения Белоруссия, Чехия, Франция, Северная Италия, Армения, Кавказ и др. Белоруссия Чехия Франция Северная Италия Армения Кавказ Практическое значение Красиво окрашенный трахит является декоративным и поделочным камнем. Диагностика. Макроскопически очень похожи на липариты, но отличаются от них по отсутствию порфировых выделений кварца. Имеют шероховатый излом. порфировых кварца излом

Липариты - нововулканические породы, аналогичные по составу граниту. Цвет белый, серый, светло - желтый, а иногда и красноватый. Структ ypa липаритов часто микропорфировая с повышенным содержанием стекловатой фазы. Наряду с плотными встречаются пористые его разновидности. Они используются для получения высококачественного изделия. В качестве примера обломочных магматических рыхлых пород можно назвать вулканические пеплы и пемзы, а цементированных пород - вулканические туфы. Вулканические пеплы представляют собой порошкообразные частицы вулканической лавы, состоящие в основном из аморфного кремнезема. Частицы крупностью до 5 мм называют вулканическим песком. Вулканические пепел и песок применяют в качестве активной добавки к цементам.

Пемзы пористые породы светло - серого цвета, по внешнему виду похожие на застывшую иену. Плотность их кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Большая пористость пемзы обусловлювает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор достаточную морозостойкость. Пемза служит заполнителем в легких бетонах. Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. Вулканические пеплы, пемзы и другие пористые вулканические породы встречаются в Закавказье ( Армения ), на Северном Кавказе, Камчатке и в других районах. Вулканические туфы пористые горные породы, состоящие из вулканического пепла, уплотненного и сцементированного. Туфы имеют разнообразную окраску : розовую, оранжевую, красную, коричневую и др. Они характеризуются значительной пористостью, малыми плотностью и теплопроводностью, достаточными прочностью и долговечностью, хорошо обрабатываются. Эти качества туфов позволяют успешно применять их для облицовки стен зданий ; отходы добычи и обработки туфов после дробления и фракционирования используют в качестве заполнителей легких бетонов. Залежи вулканических туфов имеются в Армении, Грузии и на Дальнем Востоке.

Доломиты горные породы химического происхождения, состоящие в основном из одноименного минерала ( СаС 03 * MgC03), обычно имеют серовато - желтый цвет. Структура их зернистая, плотная. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, хотя их механическая прочность несколько выше, чем у последних. Средняя плотность доломитов кг / м 3, предел прочности при сжатии МПа. Доломиты легко обрабатываются режущим и скалывающим инструментами. Месторождения доломита имеются на Украине и в других районах. Магнезиты горные породы кристаллического, а иногда аморфного строения, состоят в основном из минерала магнезита (MgC03). Иногда содержат примеси углекислого кальция и железа. Цвет их белый, желтоватый до бурого. Магнезиты применяют для изготовления огнеупорных изделий, а также в качестве сырья для производства минерального вяжущего каустического магнезита.

Гипс горная порода обычно белого или серого цвета, состоит из минерала того же названия (CaS04 *2 Н 20). Гипсовый камень имеет плотность кг / м, предел прочности при сжатии около 50 МПа и невысокую стойкость. Гипс используют главным образом для изготовления гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавки при производстве портландцемента, Ангидрит состоит в основном из минерала ангидрита (CaS04). По внешнему виду мало отличается от гипса, цвет голубовато - белый до серого с разными оттенками. Ангидрит применяют для получения гипсовых вяжущих веществ. Месторождения гипса имеются в Тульском и Горьковской областях, па Северном Кавказе, Урале, на Украине п др.

Известняк - ракушечник пористая горная порода, состоящая из раковин и их обломков, сцементированных известняковым вяжущим. Мел легкая и рыхлая горная порода органогенного происхождения, образовавшаяся в результате отмирания и отложения скелетов фораминифер и радиолярий. По химическому составу мел представляет собой почти чистый карбонат кальция с незначительным количеством примесей в виде глин, кремнезема, карбоната магния и др. Доломитами называют горные породы, состоящие преимущественного из минерала доломита. Макроскопически они похожи на известняки. При выветривании доломиты покрываются рыхлым желтовато - серым налетом ( доломитовой мукой ). Плотные доломиты имеют среднюю плотность кг / м 3 и предел прочности при сжатии МПа. Мергели горная порода, состоящая из смеси карбоната кальция и глинистых частиц. Содержание СаС 03 колеблется от 25 до 75 %. Диатомит и трепел представляют собой легкие рыхлые горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема в виде панцирей диатомовых водорослей или скелетов окаменелых организмов. Цвет этих горных пород белый, желтый и черный, плотность кг / м 3. Опока - каменистая осадочная, богатая кремнеземом горная порода белого, но чаще светло - желтого, зеленоватого цвета. В качестве примесей в опоках чаще всего встречаются кремнезем и глинистые частицы.

Мраморы представляют собой зернисто - кристаллические горные породы, образовавшиеся в результате перекристаллизации известняков и доломитов под воздействием высоких температур и давлений. Кварциты являются метаморфической разновидностью кремнистых песчаников. Цвет их белый, красный и темно - вишневый. Гнейсы по минералогическому составу сходны с гранитами, из которых они образовались, но отличаются от них сланцеватым строением. Сланцы плотные и твердые породы сланцеватого строения, образовавшиеся главным образом из глин, сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся под большим односторонним давлением.

Природный камень служил основным строительным материалом еще первобытному человеку. Каменные природные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки, изготавливаются из местного сырья. Благодаря положительным эксплуатационным и эстетическим качествам широко применяются для облицовочных работ, устройства полов, дорожных покрытий. Пористые каменные материалы применяются в конструкциях зданий в виде блоков. Отходы используются в качестве заполнителей для бетонов, при изготовлении искусственных каменных изделий на минеральном и органическом вяжущем

По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие основные виды : - грубообработанные ( бутовый камень, валун, щебень, гравий, песок ); - штучный камень и блоки правильной формы ( для кладки стен ); - плиты с различно обработанной поверхностью ( облицовочные для стен, чистого пола ); - профилированные детали ( ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн ); - изделия для дорожного строительства ( бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения )

По показателям плотности природные камни делятся на легкие ( ρ1,8 г / см 3 ) и тяжелые ( ρ 1,8 г / см 3 ) По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно - сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки ( МПа ): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням По морозостойкости – 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300 и 500 Водостойкость. К р =0,6-0,8

По способу изготовления природные каменные материалы и изделия делят на : пиленые и колотые Используя ударную ( рифленая, бороздчатая, точечная ) и абразивную ( пиленая, шлифованная, лощеная - гладкая, зеркально - гладкая ) обработку природному камню придают различную фактуру Для обработки некоторых видов горных пород применяют термический метод, основанный на воздействии струи газа с высокой температурой

Наименование минерала Фото камня Химическая формула Твёрдость Тальк 1 Гипс 2 Кальцит 3 Плавиковый шпат (флюорит) 4 Апатит 5

Корунд 9 Алмаз C (в кристал- лической форме) 10 Ортоклаз (полевой шпат) 6 Кварц 7 Топаз 8

Используемая литература Основная литература : 1. Микульский В. Г. и др. Строительные материалы ( материаловедение и технология ). М.- : ИАСВ, Материаловедение в строительстве, под ред. И. А. Рыбьева – М.: Издательский центр « Академия », 2006 Дополнительная литература : 1. Горчаков Г. И. Баженов Ю. М. Строительные материалы : - М.: Стройиздат,1986