Природные каменные материалы

Природными каменными материалами называют материалы и изделия, полученные из горных пород путем механической обработки (раскалывание, распиливание, шлифование, полировка, дробление, просеивание и т.п.), а иногда и без специальной обработки.

Минерал – это природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физ.-хим. процессов, совершающихся в земной коре.

главная масса минералов образует более крупные составные части земной коры, которые называются горными породами.

Горные породы могут состоять из одного – мономинеральные и из нескольких минералов – полиминеральные.

В зависимости от условий образования горные породы делят на три группы: изверженные, осадочные и метаморфические.

Спайность – способность некоторых материалов при ударе раскалываться по определенным гладким, блестящим плоскостям, которые называют плоскостями спайности.

Стойкость проявляется у минералов кристаллического строения, аморфные минералы спайностью не обладают. Спайность у минералов выражена в различной степени и характеризуется следующими признаками:

1. спайность весьма совершенная – минералы легко расщепляются;

2. спайность совершенная – минералы раскалываются по определенным направлениям (полевой шпат – 2 направления, кальцит – 3);

3. спайность несовершенная - выражена совсем слабо (апатит);

4. спайность отсутствует – материал раскалывается по неопределенным направлениям и дает неровные поверхности излома (кварц).

Спайность – это отрицательное свойство минералов, уменьшающее прочность и стойкость.

Магматические (изверженные) горные породы

Магматические горные породы образовались в результате извержения и последующего охлаждения и отвердевания магмы разного химического состава. В зависимости от скорости и условий охлаждения различают следующие виды магматических горных пород: глубинные, излившиеся массивные, излившиеся и обломочные.

Глубинные породы образовались в глубине земной коры при медленном и равномерном охлаждении магмы и при относительно высоком давлении, которое оказывали вышележащие слои Земли. Эти условия благоприятствовали процессам кристаллизации и способствовали образованию в данной породе минералов полнокристаллической структуры: зернисто-кристаллического строения с размерами кристаллов 0,5-5 мм. В связи с этим глубинные породы массивны, плотные и состоят из тесносросшихся более или менее крупных кристаллов, они обладают большой средней плотностью, высокой прочностью, высокой морозостойкостью, малым водопоглощением и большой теплопроводностью. К глубинным относятся: гранит, диорит, сиенит и др.

Излившиеся массивные образовались в условиях, когда магма обладает высокой вязкостью или когда кратер вулкана находится высоко над ядром. При более быстром охлаждении, чем у глубинных одни минералы начинают выкристаллизовываться, а другие нет. Такая структура называется порфировая. Массивные горные породы обладают аналогичными свойствами с глубинными, но они имеют более высокую термостойкость. Пример, порфирит.

Излившиеся образуются в начале вулканической деятельности и когда магма богата металлами: железо, хром и т.д., такая магма обладает низкой вязкостью и поэтому растекается тонким слоем. Охлаждение происходит быстро, поэтому кристаллы образуются мелкими и практически невидны невооруженным глазом. Такая структура называется скрытокристаллическая. Свойства: повышенная морозо-, термостойкость, повышенная ударная вязкость, низкая истираемость. Пример: диабаз, базальт.

Обломочные (рыхлые цементируемые) – эти породы образовались при извержении вулканов, когда извержение происходит под водой или магма богата газами, при наземном извержении такая магма выбрасывается в воздух. При этом происходит вспучивание магмы в результате выделения газов и очень резкое снижение температуры. Такая порода приобретает пористое строение. При таком быстром охлаждении кристаллы не образуются, структура – аморфная. Свойства: низкая теплопроводность, плотность, прочность. Рыхлые породы – вулканический пепел, песок, пемза; цементирующие – вулканический туф.

Породообразующие минералы магматических горных пород

Кварц (SiO₂) – кристаллический кремнезем. Спайность отсутствует, излом раковистый, блеск жирный. При обычной температуре медленно реагирует со щелочами. Плотность 2,5-2,8 г/см³, твердость 7. Прочность при сжатии до 2000 МПа, но значительно меньшую при растяжении, хорошо сопротивляется истиранию.

При нагревании до 575⁰С кварц из модификации β переходит в модификацию α скачкообразно, увеличивается в объеме примерно на 1,5 %. При 870⁰С кварц переходит в традимит (ρ = 2,26 г/см³), при этом значительно увеличивается объем. Температура плавления 1710⁰С.

Полевые шпаты – алюмосиликаты – ортоклаз (K₂O Al₂O₃ 6SiO₂), альбит (Na₂O Al₂O₃ 6SiO₂), анортит (CaO Al₂O₃ 2SiO₂). Характерная особенность полевых шпатов - хорошо выраженная спайность по двум направлениям. Цвет серый, белый, розовый, темно-красный, желтый. Плотность 2,55-2,76 г/см³. Твердость 6. R_сж до 170 МПа. Стойкость полевых шпатов значительно ниже, чем у SiO₂.

При воздействии на полевой шпат воды и углекислого газа они постепенно разрушаются. Из ортоклаза образуется CaCO₃, каолинит и водный кремнезем.

K₂O Al₂O₃ 6SiO₂ + nH₂O + CO₂ → Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O+ 4SiO₂(n-2) H₂O + K₂CO₃

Слюды – водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Слюды легко расщепляются на тонкие и упругие пластинки. Твердость 2-3. Калиевая слюда – мусковит – светлая, прозрачная. Железомагнезиальная – биотит, непостоянного цвета, темно-коричневый или черный.

Темноокрашенные минералы (пироксен, амфиболы, оливин) имеют высокую плотность, твердость от 5,5 до 7,5, хрупкость этих минералов невелика, т.е. ударная вязкость значительна. Минералы этой группы придают горным породам темный цвет и повышенную ударную вязкость.

Из них часто встречаются авгиты.

К амфиболам относится роговая обманка.

Важнейшие магматические породы

Гранит – одна из самых распространенных пород, состоящая из кварца (20-40%), полевого шпата (40-70%), слюды – мусковита или биотита (5-20%). Гранит относится к кислым породам, широко распространенным в земной коре. Цвет гранита характеризуется цветом полевого шпата. Структура гранита зернисто-кристаллическая. = 2600-2800 кг/м³, R_сж = 120-250 МПа, R_раст. От 1/40 до 1/60 R_сж, т.е. гранит отличается хрупкостью. В зависимости от размеров зерен граниты делятся на мелко, средне и крупнозернистые. Мелкозернистые лучше сопротивляются механическим воздействиям. Благодаря малой пористости небольшой величине водопоглощения (до 0,9%) граниты морозостойки и хорошо сопротивляются выветриванию.

Гранит хорошо шлифуется, полируется. Шлифование поверхности повышает стойкость полевых шпатов и слюд против выветривания. Гранит используют для облицовки, архитектурных целей.

Сиенит – глубинная горная порода, отличается от гранита тем, что не содержит кварца. = 2600-2800 кг/м³, цвет темнее гранита, Менее стоек к выветриванию.

Порфиры – излившиеся массивная горная порода. Бывают кварцевые и бескварцевые. Кварцевый порфир аналог гранита, бескварцевый – сиенита. Структура порфировая, невысокая стойкость к выветриванию, низкая истираемость.

Диабаз – плотная горная порода со средней плотностью близкой к истиной. Структура скрытокристаллическая. Цвет темно-серый или зеленовато-черный. Прочность до 450 МПа, большая ударная вязкость, малая истираемость, раскалывается на куски правильной формы. Используют как сырье для каменного литья

Базальт 0 аналог диабаза, = 2900-3300 кг/м³, R_сж = 500 МПа.

Вулканические пеплы и пески – относятся к пористым изверженным горным породам. Порошкообразные частицы вулканической лавы, размером до 1 мм, выброшенной в раздробленном состоянии, называются пеплами, а более крупные частицы до 5 мм - песками. Вулканические пески состоят из вулканического стекла и аморфного стекла. Пепел и пески используют как активные минеральные добавки при производстве цементов.

Пемза – пористая порода (пористость до 80%). Размер частиц пемзы от 5 до 30 мм, 500 кг/м³. Пемза морозостойка, не гигроскопична, =0,12-0,2 Вт/м⁰С, R_сж = 2-3 МПа. Используют как ТИМ, заполнитель легкого бетона.