Природные каменные материалы

Общие сведения

Сырьем для получения природных каменных материалов служат горные породы. Горные породы — это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся под влиянием одинаковых условий.

Минералы — это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов, происходящих в земной коре, и обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физическими свойствами. В природе известно несколько тысяч минералов, но в образовании горных пород участвуют лишь около 50, их называют породообразующими. Горные породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или нескольких (полиминеральные).

Природные каменные материалы и изделия получают путем механической обработки горных пород, т. е. дробления, раскалывания, распиловки, отески, шлифовки (щебень, плиты, штучные камни, архитектурно-декоративные детали) или даже без обработки (песок, гравий). Свойства горной породы, из которой они получены, сохраняются почти полиостью. Строительные свойства горных пород и каменных изделий из них в значительной степени определяются химическим составом и физическими и механическими свойствами породообразующих минералов.

Большое влияние на свойства пород оказывает и их строение (структура), предопределяемое условиями образования каждой группы пород. Поэтому для оценки свойств и определения целесообразных условий обработки и применения природных материалов в строительных конструкциях необходимо познакомиться с составом и строением горных пород, из которых они получены. Знание этих вопросов важно и потому, что горные породы широко используют также в промышленности строительных материалов в качестве сырья для изготовления вяжущих веществ (извести, гипса, цемента), искусственных каменных материалов (керамических, теплоизоляционных, бетонов и др.).

Широкий диапазон физико-механических свойств и распространенность природных каменных материалов обусловили их широкое применение в строительстве для различных целей. Их используют для возведения фундаментов и стен зданий, защитных и декоративных облицовок строительных конструкций, полов и лестниц, в качестве дорожных покрытий и т. п. Сотни миллионов кубометров каменных материалов в виде песка, гравия и щебня применяют ежегодно для изготовления бетонов, а также оснований при строительстве железных и автомобильных дорог.

Горной породой называется минеральная масса, состоящая из одного (мономинеральная порода) или нескольких (полиминеральная порода) минералов.

Минералом называют природное химически и структурно индивидуализированное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам — продукт физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Минералы представляют собой составные части горных пород, руд и других минеральных тел, составляющих земную кору.

В зависимости от условий образования все горные породы делятся на три вида: первичные или изверженные, вторичные или осадочные и видоизмененные или метаморфические.

Магматические (первичные) горные породы образовались при охлаждении и отвердевании магмы.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате последующих изменений первичных и вторичных пород, связанных со сложными физико-химическими процессами, происходившими в земной коре.

Вторичные (пластовые) породы образовались в результате разрушения изверженных и других пород под влиянием температурных колебаний, действия воды и ветра. Перемещаемые водными потоками на значительные расстояния, продукты разрушения осаждались в местах менее интенсивного течения воды и в водоемах (морях и озерах) в виде пластов. Воздействия ветра и движение ледников также влияли на перемещение разрушенных пород. Растворимые в воде минералы и продукты их разрушений впоследствии осаждались из водного раствора. В состав осадочных пород входят также минеральные вещества и продукты жизнедеятельности организмов, населявших водные бассейны.

Видоизмененные породы образовались в результате глубоких изменений изверженных и осадочных пород под воздействием высоких температур или больших давлений. Под влиянием протекающих в таких условиях физико-химических процессов изменялся химический и минералогический состав пород, происходила перекристаллизация минералов и видоизменялась их структура, в результате чего образовались новые породы, существенно отличающиеся от первоначальных.

Эта геологическая классификация горных пород составлена на основе работ академиков Ф. Ю. Левинсона-Лессинга, А. П. Карпинского и других ученых.

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

От минералогического состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью и химической прочностью, например кварц, другие имеют незначительную прочность, недостаточную химическую стойкость, способны значительно поглощать воду (гипс); отдельные минералы обладают способностью легко расщепляться по плоскостям (например, слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят. Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначение образованных ими пород в строительстве. Большая часть минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой.

К числу главнейших глубинных пород, применяемых в строительстве, относятся гранит, сиенит, лабрадорит, габбро и диорит.

Гранит — одна из самых распространенных в земной коре горных пород. Это сложная кислая порода, состоящая из кварца (20—40%), калиевого полевого шпата ортоклаза (40—70%) и слюды мусковита или чаще биотита (5—20%). Иногда в состав гранита входят авгит или роговая обманка, заменяющие слюду, тогда к названию гранита добавляют слова роговообманковый или авгитовый в зависимости от названия минерала. Вследствие большого содержания ортоклаза цвет гранита чаще всего серый, голубовато-серый, темно-красный. Структура гранита (7) ясно выраженная зернисто-кристаллическая. Объемный вес гранита 2600-— 2700 кг/м5, предел прочности при сжатии колеблется от «1000 до 2500 кГ/см2 и выше.


Гранит, Уфа	Красный гранит, Украина	Емельяновский гранит, Украина,	Гранит Капустинского месторождения

Лучшими строительными свойствами обладают граниты, содержащие больше кварца и меньше слюды. По размерам зерен граниты делятся на мелко-, средне- и крупнозернистые. Мелкозернистые граниты лучше сопротивляются механическим воздействиям, равномернее изнашиваются при истирании, устойчивее против выветривания и меньше растрескиваются при нагревании, чем средне- и крупнозернистые. Благодаря невысокой пористости и малому водопоглощению (обычно 0,9%) граниты морозостойки и выдерживают до 200 и более циклов замораживания и оттаивания.

Граниты хорошо обрабатываются — обтесываются, шлифуются и полируются. Их используют преимущественно для внешней облицовки зданий и сооружений, особенно общественных и гидротехнических.

Сиенит отличается от гранита тем, что не содержит кварца, поэтому общее содержание SiC>2 в нем меньше, чем в граните. Внешне сиенит напоминает граниты, но в нем менее отчетливо выражена зернистость структуры и окраска его более темная. По прочности сиенит весьма близок к граниту, но менее стоек против выветривания. Встречаются сиениты значительно реже, чем граниты. Их месторождения имеются на Урале.

Диорит — зернистая массивная порода— состоит почти на 75% из полевых шпатов (плагиоклазов), содержит также роговую обманку, авгит и биотит, иногда кварц (такой диорит называется кварцевым). Цвет диорита серый или темно-зеленый, объемный вес 2800—3000 кг/м3, предел прочности при сжатии 1500—2800 кГ/см2. Диорит обладает высокой вязкостью, хорошо полируется и стоек против выветривания (последняя резко понижается при наличии включений пирита). Диорит применяют главным образом для покрытий дорог и для облицовки.

Габбро—-основная горная порода — состоит из полевых .шпатов (до 50%, преобладает анортит), авгита и оливина. Структура габбро гранитная преимущественно крупнозернистая, цвет серый, темно-зеленоватый, коричнево-зеленый или черный, объемный вес 2900—3300 кг/м3, предел прочности при сжатии от 2000 до 3500 кГ/см2. Габбро применяют для покрытий, дорог, облицовки и для приготовления щебня.

Лабрадорит — порода из семейства габбро, существенной составной частью которой является минерал Лабрадор, обладающий характерной для него ирнзацией — яркими переливами цветов: синего, голубого, зеленого, золотистого и др. Лабрадорит широко используют в строительстве в качестве облицовочного камня.

Главнейшие излившиеся породы

Порфиры подразделяются на кварцевый порфир — аналог гранита, бескварцевый порфир — аналог сиенита и порфирит — аналог диорита. Строительные свойства порфиров близки к свойствам глубинных пород, но вследствие неравномерности структуры и наличия «вкрапленников» (чаще крупные зерна полевого шпата) стойкость их против выветривания ниже и верхние слои в месторождениях часто бывают выветрившимися. Порфиры значительно слабее сопротивляются истиранию, чем глубинные породы.

Диабаз (аналог габбро)—горная порода с зернами разной крупности темно-серого или зеленовато-черного цвета, имеющая высокую прочность (до 4500 кГ/см2). Обладает большой вязкостью и сравнительно малой истираемостью и поэтому применяется в качестве материала для покрытия дорог различного вида, а также в качестве сырья для каменного литья.

К новейшим излившимся породам относятся трахит, андезит и базальт.

Трахит (аналог сиенита)—пористая горная порода: объемный вес около 2200 кг/м3, предел прочности при сжатии 500—900 кГ/см2, цвет чаще светло-желтоватый или серый. В строительстве применяется как стеновой материал и как заполнитель (щебень) для бетона. Трахит сильно изнашнватся при истирании, а его сопротивляемость выветриванию низка. На Кавказе имеется разновидность трахитов — ештаунит, часто используемый в качестве заполнителя для кислотостойких бетонов.

Андезит (аналог диорита)—порода серого цвета с объемным весом от 2200 до 2700 кг/м3 и пределом прочности при сжатии от 600 до 2400 кГ/см2. Более кислые и плотные андезиты применяют как кислотостойкий материал в виде облицовочных плит и щебня для кислотоупорного бетона. Некоторые андезиты пористы. От трахитов сильно отличаются большим содержанием темноокрашенных минералов.

Базальт (аналог габбро)—самая распространенная излившаяся (вулканическая лавовая) горная порода. В зависимости от условий оо тывания структура базальта стекловатая или скрытокристаллическая. Объемный вес его близок к удельному (2900—3300 кг/м3), предел прочности при сжатии достигает 5000 кГ/см2. При наличии трещин и пор прочность базальта сильно понижается, иногда до 1000 кГ/см2.

Большая твердость и хрупкость базальтов затрудняет обработку, их используют главным образом как материал для дорожных покрытий, для мощения откосов набережных, в качестве щебня для бетона, а также как сырье для литья. Плавленый базальт имеет очень высокую прочность (до 8000 кГ/см2) и применяют его для изготовления кислотоупорной химической аппаратуры, труб, облицовочных материалов и др. Месторождения базальта имеются на Дальнем Востоке, на Кавказе и в других местах.

Базальты настолько сложны в обработке, что до сих пор самую большую загадку представляют собой даже не египетские пирамиды, а идеально обработанные базальтовые саркофаги в Долине Царей.

Кроме указанных выше массивных пород к изверженным горным породам относятся обломочные — продукт переотложения и цементации рыхлого материала, выбрасываемого вулканами; они разделяются на рыхлые —- вулканические пеплы, песок, пемза и цементированные — вулканические туфы, трассы, туфовая лава.

Вулканическими пеплами называют неправильной формы порошкообразные частицы вулканической лавы, выброшенной в раздробленном состоянии; более крупные частицы называют вулканическими песками.

Пемза — весьма пористая порода (до 80% объема занимают поры). Это вулканическое стекло, которое образовалось при быстром охлаждении лавы на воздухе, сопровождавшемся бурным выделением из нее газов. Размер частиц пемзы от 5 до 30 мм, средний объемный вес (в россыпи) около 500 кг/м3.

Вследствие наличия довольно крупных и замкнутых пор водопоглощение пемзы значительно ниже ее пористости. Пемза морозостойка и негигроскопична. Она имеет низкий коэффициент теплопроводности (0,12—0,2 ккал/м-ч-град), поэтому является хорошим теплоизоляционным материалом; предел прочности при сжатии 20—30 кГ/см2. Пемзу и пемзовые пески применяют в виде щебня и песка для приготовления легких бетонов и в виде порошка для теплоизоляции, а также в качестве шлифующего (абразивного) материала. Пемза.и другие пористые вулканические породы добываются в Армении,, а также на Северном Кавказе, на Камчатке и в других районах России

Вулканические туфы — пористые породы, получившиеся в процессе уплотнения вулканического пепла; степень уплотнения их сильно колеблется в зависимости от условия залегания. К наиболее уплотненным вулканическим туфам относятся трассы. Туфы, трассы и пемзу используют в тонкоизмельченном виде, как и вулканический пепел, в качестве гидравлических добавок к минеральным вяжущим (извести, цементам).

Туфовая лава образовалась в результате попадания вулканического пепла и песка в расплавленную лаву до ее остывания. Туф имеет объемный вес 750—1400 кг/м3, предел прочности при сжатии 60—100 кГ/см2 и выше, коэффициент теплопроводности (в среднем) 0,3 ккал/м-ч- град, цвет розовато-фиолетовый различных оттенков. Туф обладает высокой морозостойкостью. Из туфовой породы выпиливают камни правильной формы для кладки стен, а щебень используют как крупный заполнитель для легкого бетона

Исходным материалом для образования осадочных пород являются продукты разрушения горных пород различного происхождения.

Горные породы разрушаются в результате выветривания. Важнейшими факторами выветривания являются вода, ветер и температурные изменения. Вода проникает в трещины, постепенно размывает и растворяет составные части горных пород, а при замерзании вследствие увеличения в объеме разрушает их. В результате резких температурных изменений монолитность пород нарушается, они растрескиваются и от них отделяются куски разной величины. Ветер выдувает и уносит частицы разрушенных пород, вытачивает в них углубления (ниши). Продукты разрушения переносятся ветром на большие расстояния.

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

К2О • А12О3 • 6SiO2 + 2Н2О + СО2 = К2СО3 + 4SiO2 + А12О3 • 2SiO2 • 2Н2О.

(ортоклаз) => (поташ) => (каолинит)

В результате физического выветривания горных пород образуются куски больших размеров (обломки)—глыбы, дресва, более мелкие (остроганные) куски — щебень (природный) и мелкие зерна — песок, главным образом кварцевый. Результатом химического разрушения полевошпатовых пород является образование каолинита, который, смешиваясь с песком и другими продуктами разрушения, дает разнообразные глины. Эти продукты разрушения остаются на месте, образуя горный песок и первичную глину, или переносятся водой, ледниками, ветром и откладываются в других местах (в виде вторичных глин).

Осаждение и накопление продуктов разрушения приводит к образованию осадочных пород, которые в зависимости от условий образования делятся на следующие основные группы: обломочные (механические осадки), химического происхождения (химические осадки) и органогенные, получающиеся в результате жизнедеятельности и отмирания организмов, населяющих водные бассейны. Особенностью осадочных пород является их слоистость — результат постепенного осаждения продуктов разрушения. Осадочные породы залегают в виде пластов, поэтому их называют также пластовыми.

Обломочные породы

Обломочные породы (рыхлые) разделяются по размерам обломков на крупнообломочные —размер кусков более 2 мм (гравий с окатанными зернами и крупные пески), среднеобломочные — размер кусков 2— 0,1 мм (пески), мелкообломочные — размер зерен 0,1—0,01 мм (пылеватые частицы) и тонкообломочные — размер зерен менее 0,01 мм (глины— землистые полиминеральные смеси, тончайший ил — отложения, нанесенные водой, лёсс — отложения, нанесенные ветром, состоящие из мельчайших зернышек кварца, известняка, глины).

Обломочные породы, связанные между собой каким-либо веществом (глиной, кальцитом, кремнеземом и др.), называются цементированными породами. Из них наибольшее значение в строительстве имеют песчаники (8), т. е. цементированные кварцевые пески.

В зависимости от цементирующего вещества различают песчаники глинистые, мергелистые, известковые, кремнистые, битумные и др. Окраску песчаникам придают цементирующие вещества. Для строительства наиболее часто используют кремнистые и известковые песчаники; первые сцементированы кремнеземом, вторые — кальцитом. Наиболее стойки и прочны кремнистые песчаники, имеющие предел прочности при сжатии до 2500 кГ/см2.

Большой объемный вес (до 2700 кг/м3) и высокий коэффициент теплопроводности песчаников дают возможность применять их только для стен неотапливаемых зданий, фундаментов, подпорных стенок, набережных, для устройства ступеней и тротуаров, а особенно стойкие — для облицовки зданий н сооружений (опор мостов и др.). Песчаники используют также в виде щебня и бута; щебень применяют для приготовления бетона (в качестве крупного заполнителя), для строительства шоссейных дорог, балластировки железнодорожных путей и других целей. Песчаники весьма широко распространены.

Органогенные породы

Органогенные породы образуются в результате жизнедеятельности и отмирания организмов, находящихся в морских и пресных водах. К органогенным породам относят различные карбонатные и кремнистые породы.

Для строительных целей используют известняки, известняки-ракушечники, мел (в которых основным веществом является кальцит) к диатомиты и трепелы (в которых основным веществом является водный кремнезем).

Известняки состоят главным образом из кальцита СаСО3. Они образовались в морских бассейнах в основном из остатков животного мира (зоогенные породы), а также частью за счет химических осадков (вследствие выпадения из раствора углекислого кальция). Рыхлые скопления раковин и их обломков уплотнялись давлением воды и скреплялись углекислым кальцием в более или менее плотную породу.

Известняки имеют твердость около 3 по шкале твердости. При большой примеси кремнезема их твердость и прочность повышается, что затрудняет обработку. Объемный вес известняков 1700—2600 кг/м3, они бывают белого цвета или в зависимости от примесей (глины, кварца, окиси железа и др.) желтоватого, сероватого, красноватого, бурого и ~др. Большое содержание в’ известняках глин и пирита оказывает на них вредное влияние. Так, при содержании более 3% глины известняки становятся влагоемкими и недостаточно морозостойкими.

В зависимости от относительного содержания СаСО3 известняки называются чистыми (не менее 98% СаСО3) и мергелистыми (не менее 90% СаСОз).

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

Предел прочности известняков при сжатии колеблется от 80 до 2000 кГ/см2, в зависимости от плотности и состава. Они залегают обычно пластами, разделенными прослойками глинисто-суглинистых и песчаных пород.

Мраморовидные известняки представляют собой переходные породы от известняков к мраморам. В них под микроскопом среди массы равномерной плотности видны кристаллические зерна известкового шпата (кальцита).

Известняк плотный применяют в виде обработанных плит и фасонных деталей для облицовки стен, изготовления лестничных ступеней, подоконников, цоколей и карнизов; плиты неправильной формы используют для бутовой кладки. Известняк употребляют также для приготовления щебня для бетона, в производстве портландцемента, из него обжигом получают известь и др.

Пористые известняки и известняк-ракушечник легко поддаются распиловке на штучный камень определенных размеров и используются для кладки стен и перегородок. Известняк-ракушечник (в котором видны обломки раковин) широко распространен на Северном Кавказе. Здесь многие дома построены из этого материала. Объемный вес известняка-ракушечника составляет от 600 до 1500 кг/м3, предел прочности при сжатии от 4 до 50 кГ/см2.

Мел имеет тот же химический состав, что и известняк СаСО3, состоит он из мелких частиц раковин простейших организмов; прочность его меньше, чем известняка. Используют мел для получения извести, приготовления красок, замазок и др., а также в производстве цемента.

Диатомиты и трепелы представляют собой богатые аморфным кремнеземом, слабо или вовсе нецементированные, рыхлые или землистые массы белого, желтого, серого, розового цвета. Диатомиты образуются из панцирей диатомовых водорослей, живущих в пресной и соленой воде. После отмирания растений панцири опускаются на дно водоемов, уплотняются, между ними осаждаются тончайший ил и глина.

Трепел — порода более раннего происхождения, в которой панцири превратились в мельчайшие шарики опала, сцементированные опаловым цементом.

В диатомите и трепеле высших сортов содержится от 75 до 96% SiO2. Их химический состав и физические свойства очень близки: объемный вес от 350 до 950 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,15— 0,2 ккал/м • ч град. Диатомит и трепел широко используют как теплоизоляционные материалы и в качестве активных гидравлических добавок к вяжущим.

С течением времени под давлением вышележащих слоев трепел превращается в плотную, прочную, трудно размокающую породу—опоку, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема.

Породы химического происхождения

Магнезит — распространённый минерал, карбонат магния MgCO3. Название от области Магнесия (Фессалия, Греция), где был впервые обнаружен; известен с глубокой древности.

Используют для получения огнеупорных материалов и магнезиального вяжущего — каустического магнезита. Наиболее богатое месторождение магнезита имеется на Урале.

Кристаллы редки. Обычно плотные разной зернистости агрегаты вплоть до фарфоровидных. Фарфоровидный магнезит часто содержит примеси опала и силикатов магния. Хрупок. Твердость 4-4,5 у фарфоровидного — до 7 (за счёт тонкодисперсной примеси опала). Цвет белый, серый, реже желтоватый Встречается в гидротермальных месторождениях или в качестве продукта выветривания ультраосновных горных пород.

Доломит состоит в основном из минерала того же названия СаСОз* •MgCO3. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, а иногда обладают и более высокими качествами. Применяют их в качестве строительного камня и щебня для бетона, а также для получения огнеупорных материалов и вяжущего вещества (каустического доломита). Доломиты широко распространены в России.

Гипс CaSO4’2HoO, состоящий из минерала того же названия, используют главным образом для изготовления гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавки при производстве портландцемента.

Ангидрит CaSO4, состоящий из минерала того же названия, применяют для получения вяжущих, а также для изготовления плит для внутренней облицовки. Внешне ангидрит заметно не отличается от гипса и залегает обычно вместе с ним.

Известковые туфы образовались в результате выпадения СаСО3 из холодных и горячих подземных углекислых вод. Очень пористые известковые туфы используют как материал для декоративных построек (гроты и др.) н как сырье для приготовления извести, а плотные с мелкими равномерно расположенными порами и пределом прочности при сжатии до 800 кГ/см2 — для наружной облицовки зданий.

Из метаморфических пород в строите льстве применяют гнейсы, мраморы, кварцит и глинистые сланцы.

Гнейсы по минералогическому составу сходны с гранитами, из которых они образовались в результате перекристаллизации под большим давлением. Гнейсы имеют так называемое сланцеватое строение, характерны тем, что составляющие минералы вытянуты в направлении, перпендикулярном направлению давления. По объемному весу и прочности в направлении, перпендикулярном сланцеватости, гнейсы мало отличаются от гранитов. Сланцеватость облегчает добычу и обработку гнейсов, но уменьшает их прочность вдоль слоев.

Гнейсы сравнительно легко раскалываются по плоскостям сланцеватости и могут расслаиваться при попеременном замораживании и оттаивании. Сланцеватость понижает стойкость гнейсов против выветривания. Назначение гнейсов в строительстве в основном то же, что и гранитов, но используют их преимущественно в виде плит для облицовки каналов и набережных, кладки фундаментов, устройства тротуаров и др.

Глинистые сланцы — твердая глинистая порода сланцеватого сложения, получившаяся из глин, сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся под влиянием большого давления.

Глинистые сланцы значительно тверже глин, не размокают в воде и при смешивании с ней не переходят в пластическое состояние. Состоят они из очень мелких глинистых частиц, а также листочков слюды, мелкой пыли, полевых шпатов, зерен кварца и других минералов; цвет имеют преимущественно темно-серый; легко раскалываются на тонкие ровные плитки, применяемые как самый долговечный кровельный материал, известный под названием природный шифер.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

Posted in Горные породы,Инженерная геология,Природные каменные материалы,Строительные материалы

ТехЛиб СПБ УВТ