7.Природные каменные материалы: изверженные горные породы, осадочные горные породы, метаморфические горные породы.

Горные породы - главный источник получения строительных материалов. Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и гипсовых. Горные породы - эҭо природные образования более или менее опҏеделенного состава и сҭҏоения, образующие в земной коҏе самостоʀҭҽљные геологические тела.

Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной породы. Большинство минералов - твердые тела, иногда встҏечаются жидкие (самородная ртуть).

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы:

1) магматические породы, образовавшиеся в ҏезультате охлаждения и затвердевания магмы;

Главнейшие глубинные породы

Гранит – одна из самых распространенных в земной коре горных пород. Это кислая порода, состоящая из кварца (20-40%), калиевого полевого шпата – ортоклаза (40-70%), слюды мусковита или, чаще, биотита (5-20%,) и других минералов. В граните содержится больше всего ортоклаза, отчего цвет гранита чаще всего бывает серый, голубовато-серый, темно-красный. Структура гранита ясно выраженная, зернисто-кристаллическая.

Объемный вес гранита 2 600- 700 кг/м3, предел прочности при сжатии колеблется в пределах от 1 000 до 2 500 кг/см2 и выше. Прочность при растяжении составляет только от 1/40 до 1/60 предела прочности при сжатии. Лучшими строительными свойствами обладают граниты, содержащие больше кварца и меньше слюды. По размерам зерен граниты делятся на мелкозернистые, среднезернистые и крупнозернистые. Мелкозернистые граниты лучше сопротивляются механическим воздействиям, равномерно изнашиваются при истирании, медленнее выветриваются и меньше растрескиваются при нагревании, чем средне – и крупнозернистые. Благодаря малой пористости и малому водопоглощению граниты морозостойки и выдерживают до 200 и более циклов замораживания и оттаивания. Граниты хорошо обтесываются, шлифуются и полируются. Они широко используются преимущественно для внешней облицовки в строительстве зданий и сооружений.Месторождения гранитов имеются на Кольском полуострове, на Урале, в Сибири, в Средней Азии, на побережье Азовского моря, в юго-западной части Украины, в Крыму, на Кавказе.

Сиенит отличается от гранита тем, что не содержит кварца, поэтому общее содержание SiO2 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 близок к граниту, но менее стоек против выветривания.Месторождения сиенита имеются на Урале, в юго-западной части Украины и на Кавказе, но встречаются сиениты реже, чем граниты.

Диорит – зернистая массивная порода – состоит почти 3/4 из полевых шпатов, в нем содержится также роговая обманка, авгит и биотит. Цвет диорита серый или темно-зеленый; объемный вес 2 800-3 000 кг\м3; предел прочности при сжатии 1 500-2 800 кг/см2. Диорит обладает высокой вязкостью, хорошей полируемостью и стойкостью против выветривания. Диорит применяют для дорожных покрытий, а также для облицовки. Месторождения диорита известны в Карелии, на Урале, в Сибири, на Украине, в Крыму и на Кавказе.

Габбро – основная по химическому составу горная порода состоит из полевых шпатов, авгита и оливина. Структура габбро гранитная, преимущественно крупнозернистая, цвет – серый, темно-зеленоватый, коричнево-зеленый или черный, объемный вес 2 900-3 300 кг/ж3. Предел прочности при сжатии от 2 000 до 3 500 кг/см2. Габбро применяют для дорожных покрытий, облицовки и для приготовления щебня. Месторождения габбро имеются на Урале, Украине, Кавказе и в других районах.

Лабрадорит – порода из семейства габбро, существенной составной частью которой является минерал Лабрадор, обладающий характерной для него яркой игрой – переливами цветов: синего, голубого, зеленого, золотистого и др. Лабрадорит широко используется в строительстве в качестве облицовочного камня (мавзолей В. И. Ленина и И. В. Сталина, колонны библиотеки имени Ленина и другие здания и сооружения).

Месторождения лабрадорита имеются в Украине.

Главнейшие излившиеся породы

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

Диабаз – аналог габбро – горная порода с зернами разной крупности темно-серой или зеленовато-черной окраски, имеющая высокую прочность (до 4 500 кг/см2). Обладающий большой вязкостью и сравнительно малой истираемостью диабаз применяется для изготовления дорожных каменных материалов различного вида и в качестве сырья используется для каменного литья.

Трахит – аналог сиенита – пористая горная порода; объемный вес трахита около 2 200 кг/м3, предел прочности при сжатии 500-900 кг/см2, цвет большей частью светло-желтый или серый. В строительстве применяется как стеновой материал к как щебень для легкого бетона. Трахит сильно изнашивается при истирании, а его сопротивляемость выветриванию невелика. На Кавказе имеется разновидность трахитов – бештаунит, применяемый в качестве заполнителя для кислотостойких бетонов. Андезит – аналог диорита – серого до темно-серого цвета,, имеет объемный вес от 2 200 до 2 700 кг/м3, прочность от 600 до 2 400 кг/см2. Более кислые и плотные андезиты применяются как кислотостойкий материал в виде облицовочных плит и щебня для кислотоупорного бетона. Встречается на Кавказе и в другихместах СНГ.

Базальт – аналог габбро – самая распространенная излившаяся горная порода. В зависимости от условий остывания – структура его стекловатая или скрытокристаллическая. Предел прочности при сжатии иногда достигает 5 000 кг/см2. Большая твердость и хрупкость базальтов затрудняет их обработку. Они используются главным образом как материал для дорожных покрытий для мощения откосов набережных, в качестве щебня для бетона, а также для литья. Плавленый базальт имеет. большую прочность (до 8 000 кг/cм2) и применяется для изготовления кислотоупорной химической аппаратуры, труб, электроизоляторов, облицовочных материалов и др. Месторождения базальта имеются на Дальнем Востоке, на Кавказе и в других местах СНГ.

Кроме указанных выше массивных пород, к изверженным5 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 называются неправильной формы порошкообразные частицы вулканической лавы, выброшенной в раздробленном состоянии.

Пемза – очень пористая порода. Это вулканическое стекло, которое образовалось при быстром охлаждении лавы на воздухе, сопровождавшемся бурным выделением из нее газообразных продуктов. Размер частиц пемзы от 5 мм до 30 см, средний объемный вес (в россыпи) около 500 кг/м3. При наличии довольно крупных, но замкнутых пор водопоглощение пемзы значительно ниже пористости. Пемза морозостойка и негигроскопична. Она имеет низкий коэффициент теплопроводности (0,12-0,2), поэтому является хорошим теплоизоляционным материалом; предел прочности при сжатии 20-30 кг/см2. Пемза и пемзовые пески применяются в виде щебня и песка для приготовления легких бетонов и в виде порошка для теплоизоляции, а также в качестве шлифующего материала. Пемза и другие пористые вулканические породы добываются главным образом в Армении, а также на Северном Кавказе, на Камчатке и в других районах СНГ.

Вулканические туфы – пористые породы, получившиеся в процессе уплотнения вулканического пепла; степень уплотнения колеблется в зависимости от условий залегания. К наиболее уплотненным вулканическим туфам относятся трассы. Туфы, трассы и пемзу в тонкоизмельченном виде, как и вулканический пепел, используют в качестве активных гидравлических добавок к минеральным вяжущим (извести, цементу). Туфовая лава образуется в результате попадания вулканического пепла и песка в расплавленную лаву до ее остывания. Месторождение туфовой лавы находится в Армении у ст. Артик. Эта туфовая лава, носящая название артикский туф, представляет собой стекловатую пористую породу.

Артикский туф имеет объемный вес 750-1 400 кг/м3; предел прочности при сжатии 60-100 кг/см2 и выше; коэффициент теплопроводности 0,3; цвет розовато-фиолетовый различных оттенков. Туф обладает морозостойкостью. Из породы выпиливают камни правильной формы для кладки стен, а щебень используется как заполнитель для легкого бетона.

2) осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов выветривания и разрушения различных горных пород;

Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород. Процесс образования осадочных пород протекает по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения и, наконец, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки - слоистость и пористость. Последняя особенно важна, так как оказывает большое влияние на физико-механические свойства пород: прочность, плотность и среднюю плотность, водопоглощение, морозостойкость, механическую обработку и др.

Осадочные породы отличаются многообразием структур с широким варьированием формы, размеров частиц и их соотношения у различных представителей. Для них характерно значительное разнообразие минеральных компонентов, более простых по химическому составу и являющихся преимущественно осадочными новообразованиями, совпадающими по составу с некоторыми магматическими минералами. Среди породообразующих минералов встречаются осажденные из водных растворов карбонаты, сульфаты, водный кремнезем; вторичные (глинистые) продукты выветривания материнских пород - каолинит, монтмориллонит; слюдистые минералы, гидроксиды А1 и Fe; реликтовые минералы, сохранившиеся без изменения, - магматический кварц, полевые шпаты, а также обломки пород различного генезиса и остатки организмов. Некоторые представители осадочных пород растворяются в воде, например каменная соль, гипс, известняки. По условиям образования осадочные породы делятся на три группы: обломочные, химические и органогенные. Между ними существуют переходные разновидности смешанного генезиса.

Породы обломочного (механического) происхождения являются продуктами механического разрушения каких-либо материнских пород и сложены преимущественно обломками устойчивых к выветриванию минералов и пород. Они разделяются по крупности обломков на грубообломочные, среднеобломочные (песчаные), мелкообломочные (пылеватые) и тонкообломочные (глинистые). Среди них только глинистые породы являются продуктами химического разложения материнских пород, остальные же породы сложены обломками, не подвергшимися существенному выветриванию. Независимо от размеров частиц обломочные породы могут быть рыхлыми или сцементированными.

К рыхлым грубообломочным породам относятся разновидности с окатанной и угловатой формой, образовавшиеся в результате накопления крупных обломков. Среди них выделяют обломки размером 1000... 100 мм, называемые валунами (окатанные) или глыбами (угловатые); 100 ... 10 мм - галькой (окатанные) или щебнем (угловатые), 10... 1 мм —гравием (окатанные) или дресаой (угловатые). Валуны (валунный камень) состоят из грубоокатанных обломков, обработанных и перенесенных водой или ледником. По генезису валунный камень может быть ледниковым, речным, морским, озерным. Более мелкие его разновидности размером 120... 300 мм называют булыжным камнем. Крупный валунный камень, поступающий на строительство, нуждается в предварительной переработке на штучный материал - шашку, бутовый камень и др. Галька и гравий образуются аналогично первому, при переносе обломков на большие расстояния реками, горными потоками, а также под действием морского прибоя, приобретая при этом различную степень окатанности и сортировки. Качество гравия обусловливается его генезисом, минеральным составом, содержанием глинистых и органических примесей и пр. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан. Гравий применяется в железобетонных сооружениях, дорожном строительстве и как фильтрующий материал. Глыбы, щебень и дресва представляют собой скопления угловатых обломков скальных пород, разнородных по минеральному составу. Эти отложения особенно характерны для пустынных и полярных районов с интенсивно протекающими процессами физического выветривания. Они достаточно широко распространены в средней и северной полосе европейской части нашей страны. Песчаные (среднеобломочные) породы представляют собой рыхлую смесь зерен с размерами от 1 до 0,1 мм. Их принято разделять по крупности зерен на крупнозернистые с диаметром частиц от 1 до 0,5 мм; среднезернистые - 0,5 ...0,25 мм; мелкозернистые - от 0,25 до 0,1 мм. Пески состоят преимущественно из кварца, наиболее устойчивого к химическому выветриванию минерала. Чистые кварцевые пески светлой окраски являются мономинеральными породами. Смешанные (полимиктовые) пески состоят из смеси минералов, в которых кроме кварца находятся полевые шпаты, слюды, амфиболы и др. Среди них наибольшее распространение имеют аркозовые пески красного или серого цвета, преимущественно кислого полевошпатового состава, с небольшой примесью кварца и других минералов. Наибольшей чистотой и однородностью зерен отличаются морские и эоловые отложения; морские и речные пески имеют окатанную, а ледниковые - угловатую, наиболее благоприятную для строительных целей, форму зерен. Вредной примесью к пескам являются глинистые и пылеватые фракции (0,05... 0,005 мм). При оценке качества песка как строительного материала учитывают его минеральный и гранулометрический составы, форму зерен, пористость, коэффициент фильтрации и др. Плотность песков составляет 2,64 г/см3, а средняя плотность—1800 кг/м3. Они являются главным сырьем для получения керамики, динаса, стекол, бетонов и растворов, кирпича; используются для дорожных покрытий, в абразивном производстве. Распространены повсеместно.

Пылеватые (мелкообломочные) породы состоят из частиц размером от 0,1 до 0,01 мм и отличаются от песчаных содержанием более мелких частиц. Представителем этих пород является лёсс—светлоокрашенная пористая (46 ...50%) порода, содержащая кварц, полевые шпаты, до 30% кальцита и до 50% глинистых минералов. Плотность лёссов составляет 2,5 ...2,8 г/см3, а средняя плотность - 1200 ... 1800 кг/м3.

Они отличаются просадочностью, легко размокают в воде. Используются в цементной промышленности как добавка в бетоны, в производстве кирпича, черепицы и др. Распространены в европейской части нашей страны, на юге Украины, в Средней Азии, южной Сибири. Глинистые (тонкообломочные) породы состоят более чем наполовину из мельчайших (менее 0,01 ... 0,001 мм) чешуеобразных частиц глинистых минералов, среди которых не менее 25% имеют размеры менее 0,001 мм. Глины образуются при выветривании полевошпатовых и некоторых других силикатных пород и состоят преимущественно из глинистых минералов типа каолинита, монтмориллонита и гидрослюд с примесью кварца, слюды, вторичного кальцита, опала и др. Большинство глин являются полиминеральными, однако среди них имеются наиболее ценные мономинеральные: каолинитовые и монтмориллонитовые разновидности. Главным фактором при применении глин в строительстве и производстве строительных материалов является их минеральный состав. Полиминеральные глины являются сырьем для производства кирпично-черепичных изделий, грубой керамики, глинозема, огнеупоров и т. д. Каолинитовые глины сложены в основном каолинитом и сравнительно свободны от примесей оксидов железа. Они представляют собой белые тонкозернистые, жирные на ощупь малопластичные породы, являющиеся продуктами разложения (гидролиза) алюмосиликатов диссоциированной водой, содержащей свободные ионы водорода и растворенную СО2.

Каолинитовые глины являются континентальными отложениями и образуются в условиях кислой среды. Они используются в производстве фарфоро-фаянсовых изделий, цемента, шамота. Месторождения каолинитовых глин находятся на Украине, Урале, в Сибири и др. Монтмориллонитовые глины появляются при разложении вулканических пеплов в щелочной среде. Среди них выделяются сильно набухающие в воде натровые глины с преобладанием катиона Na над катионами Са, Mg и К и неразбухающие кальциевые - с преобладанием Са над катионами Na и Mg. К первым относятся бентониты и флоридины, породы белой, серовато-белой, розоватой и другой окраски, характерной особенностью которых является сильное набухание при увлажнении с увеличением объема примерно в 16 раз и более и высокая адсорбционная способность. Большинство этих глин обладает резко выраженной пластичностью при затворении водой, сохраняя при высыхании приданную им форму, а после обжига образуют камневидные массы. С увеличением в глинах механических примесей пластичность их быстро снижается. Монтмориллонитовые глины применяются как замечательные адсорбенты, так как обладают высокой поглотительной способностью. Их месторождения имеются в Грузии, Крыму, Приднепровье, Закарпатье, Средней Азии. Сцементированные обломочные породы образовались путем цементации рыхлых пород разнообразными химическими веществами. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент (вторичный кварц, опал, халцедон), менее прочны железистый (лимонит), карбонатный (кальцит) и малой цементирующей способностью отличается глинистый цемент. Ниже приводится описание главных представителей этой группы. Брекчии представляют собой компактные породы, состоящие из угловатых обломков дресвы или щебня, сцементированных каким-либо цементом. Петрографический состав этих обломков отличается однородностью. Угловатая форма обломков обеспечивает хорошее сцепление их с природными цементами, поэтому брекчии при некоторых видах цементов имеют достаточно высокую прочность и используются как отделочные камни. Брекчии имеют ограниченное распространение. Конгломераты - сцементированные природным цементом скопления гальки, гравия, мелких валунов и др., отличающиеся от брекчий пестротой петрографического состава, широким диапазоном прочности от 5 до 160 МПа и изменением средней плотности в интервале 1500 … 2900 кг/м3. По сравнению с брекчиями конгломераты отличаются меньшей прочностью, так как окатанный обломочный материал довольно слабо связывается с цементом. Практическое значение этих пород невелико, однако их характерная структура (вяжущее рыхлый материал) является прототипом самой распространенной структуры ИСК. Слабо сцементированные их разновидности используются для получения балласта, а красивые - как отделочные декоративные камни. Мощные отложения конгломератов известны в Крыму и Средней Азии. Песчаники образуются путем цементации зерен песка при просачивании через них разнообразных минеральных растворов. В зависимости от разновидности цементов различают кремнистые, известковые, железистые, гипсовые, глинистые, битуминозные и другие виды песчаников. Их прочность определяется видом природного цемента, характером его сцепления с зернами песка, плотностью породы. Она колеблется в широких пределах от 1 до 150 МПа и выше, а средняя плотность - от 1900 до 2800 кг/м3. Наиболее прочными (100... 150 МПа и более) являются кремнистые песчаники со средней плотностью до 2800 кг/м3. Малой прочностью отличаются глинистые песчаники, легко разрушающиеся при насыщении водой или циклическом замораживании и оттаивании; известковые песчаники неводостойки. В битуминозных песчаниках битум, пропитывающий толщи пород, составляет до 20% их массы. Окраска песчаников зависит от цемента: кремнистые и известковые имеют белые и светлые тона, железистые - желтые и красноватые и т. д. Они широко распространены в Карелии, на Украине, в Поволжье и др. и используются для получения стенового камня, бута, щебня, а также декоративного отделочного материала. Их разновидности, содержащие не менее 97% кремнезема, идут на изготовление кислотоупорных материалов и сырья, для получения огнеупоров, абразивов и др.

3) метаморфические породы, являющиеся продуктом пеҏекристаллизации и приспособления горных пород к изменившимся в земной коҏе физико-химическим условиям.

Метаморфические (вторичные) породы образовались под воздействием высоких температуры и давления, химически активных газообразных веществ и горячих растворов, циркулирующих в породах. Воздействию этих факторов, особенно проявляющихся при тектонических процессах, подвергаются как магматические, осадочные, так и ранее метаморфизованные породы. Результатом такого воздействия является изменение структурных и текстурных свойств, а иногда и химического состава пород. Минеральный состав метаморфических пород сходен с составом материнских пород, но наряду с первичными минералами: кварцем, полевыми шпатами, амфиболами, слюдами - появляются вторичные, характерные только для метаморфических пород, - гранаты, хлориты, серпентин и другие. Они имеют кристаллически-зернистую (кристаллобластовую) структуру с вытянутой формой частиц и разнообразные виды текстур. Наиболее типичными текстурами являются сланцеватая с параллельным расслоением в одном направлении чешуйчатых, листоватых, пластинчатых минералов; полосатая (гнейсовая) с линейным расположением чередующихся полос различного минерального состава, а также массивная текстура, развивающаяся при перекристаллизации однородных первичных пород без изменения расположения их зерен. Формы залегания метаморфических пород соответствуют формам залегания материнских магматических и осадочных пород. К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты и мраморы. Гнейсы - светлоокрашенные серые, красноватые и других оттенков кристаллически-зернистые породы, образующиеся при метаморфизме кислых магматических и осадочных пород. Среди них различают ортогнейсы, появившиеся из гранитных или кислых порфировых и парагнейсы - при метаморфизме осадочных пород: аркозовых песчаников, рыхлых скоплений кварца, полевого шпата, слюд и др. Ортогнейсы по минеральному составу сходны с гранитами, но отличаются от них слоистой или полосатой текстурой, с которой связано появление анизотропии и ухудшение свойств породы. Тонкослоистые гнейсы не отличаются морозостойкостью и сравнительно быстро выветриваются. Они используются в виде облицовочных плит, для кладки фундаментов, в качестве мостильного и бутового камня и др. Гнейсы являются самыми распространенными метаморфическими породами. Кристаллические сланцы образуются из магматических или осадочных пород путем метаморфизации. Наиболее сильно изменяются глины, которые уже при слабом влиянии метаморфизма превращаются а глинистые сланцы, а с дальнейшим его усилением претерпевают полную перекристаллизацию и переходят в филлиты - темно-серые и красноватые тонкосланцеватые породы, состоящие из вторичных кварца, серицита и хлорита. Они отличаются способностью раскалываться на ровные тонкие пластинки и, обладая достаточной плотностью, вязкостью, твердостью и водостойкостью, используются как местный кровельный материал. Особенностью шунгизитового гравия является наличие стекловатой структуры и исключительная инертность по отношению ко всем агрессивным средам. Шунгитовые сланцы применяются в качестве сырья для получения шунгизитового гравия, черного цемента, красок, добавок при изготовлении силикатного кирпича, штучных плит для полов, плинтусов, а также как декоративный и скульптурный материалы. Кварциты образуются путем метаморфизации кварцевых песков и песчаников под влиянием динамотермического метаморфизма с преобладанием высоких температур и превращаются в кварциты - очень плотные и твердые мелко- и среднезернистые (гранобластовые) белые, желтые, серые, красноватые породы с массивной или сланцеватой текстурой. Наряду с кварцем (до 95 ...99%) они могут содержать различные примеси: слюды, гематита, хлоритов и др. Они отличаются слабым сцеплением с вяжущими, большой хрупкостью и трудно обрабатываются; имеют высокую огнеупорность, кислото- и щелочестойкость и применяются главным образом в производстве динаса, а также как абразивный, кислото- и щелочестойкий материалы. Красивые разновидности кварцитов являются прекрасным декоративным и облицовочным материалом. Разновидности со значительным содержанием (более 40%) железистых минералов являются рудами на железо. Мраморы образуются при перекристаллизации известняков и доломитов преимущественно под влиянием динамотермального метаморфизма с преобладанием температурного фактора. Чаще всего они появляются на контакте карбонатных пород с интрузиями и представляют собой равномерно-зернистые массивные или слоистые породы, окрашенные в разнообразные цвета от светлых до черных с различными оттенками в зависимости от содержания примесей. Мраморы хорошо обрабатываются - пилятся, шлифуются и полируются, но слабо сопротивляются выветриванию, особенно влиянию агрессивной воды, содержащей растворенную углекислоту. Мраморы широко применяются для внутренних отделочных работ, а в виде крошки - при приготовлении цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона.