Глава 3. Природные каменные материалы

3.1. Общие сведения о природных каменных материалах, классификация горных пород

Природными каменными материалами называют строи­тельные материалы, получаемые без обработки или путем механиче­ской обработки горных пород. В результате дробления, распиливания шлифования, полирования и другой механической обработки при­родные каменные материалы полностью сохраняют физико- механические свойства горной породы, из которой они получены.

• jl .Горной породой называют минеральную массу постоянного состава. В зависимости от однородности минерального состава горные породы могут быть простыми или мономинеральными, состоящими из одного какого-либо минерала (кварцевый песок, магнезит и др.), и сложными или полиминеральными, состоящими из ряда различных минералов (гранит, габбро, лабрадорит, базальт, порфиры и др.).

^Мцтщ^алъь— природные химические соединения, образовав­шиеся в результате физико-химических процессов, происходящих в земной коре.

Толщина земной коры находится в пределах от 3 до 80 км. Зем­ная кора состоит из слоев различной плотности. Верхний слой земной коры на материках состоит из осадочных горных пород. Под ними на различной глубине залегает гранитный слож,_,в!Ш,кшающий в себя гранит, гнейсы, базальты. Этот слой, составляющий 30...40 м, высту­пает на поверхность земли в склонах гор. Ниже гранитного слоя зале­гает плотный слой, состоящий из измененных, так называемых мета­морфических пород.

В Беларуси есть залежи глины, кварцевого песка, доломиты, известняки, мел, мергели, гранит и др. Запасы этих нерудных полез­ных ископаемых невелики и требуют рационального и экономного использования.

Наряду с древесиной природные каменные материалы являют­ся дредцейшими строительными материалами. Природный камень использовался древними строителями для возведения культовых со­оружений (гробницы, храмы, пирамиды Древнего Египта). Тяжелые массивные формы из природных каменных материалов обеспечивали сооружению монументальность и величие. Высокая механическая прочность и долговечность позволяли использовать его в качестве стенового материала в строительстве различных сооружений, а кра­сивая окраска и богатая фактура обусловили его применение для ар­хитектурного оформления уникальных сооружений, дворцов. Древ­ние мастера украшали старорусские города Москву, Киев, Владимир и др. белокаменными соборами. В течение многих столетий природ­ный камень был основным материалом для кладки стен (особенно в безлесных районах). Затем его начали активно применять как долго­вечный и декоративный облицовочный материал для наружной и внутренней облицовки стен, а также для настилки полов, мощения дорог, в качестве крупного заполнителя в бетонных смесях и т.д.

Однако с появлением более дешевых и легких искусственных каменных материалов природный камень стал постепенно сдавать свои традиционные позиции. Роль природного камня в современном строительстве претерпела значительные изменения. Из универсаль­ного материала, сочетающего конструкционные и декоративные свой­ства, камень стал преимущественно материалом отделочным^ Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и др. изделий, для производства минеральных вяжущих веществ — цемен­тов, извести и гипса. Песок, щебень и гравий применяют в качестве заполнителей бетонов и раствпров.

В основу классификации горных пород положено их происхож­дение (генетическая классификация). В соответствии с этим горные породы подразделяют на три большие группы: изверженные^ осадоч- ные и метаморфические или видоизмененные (рис. 3.1). Извержен­ные и видоизмененные горные породы составляют примерно 90%, а осадочные 10% объема земной коры, однако последние занимают око­ло 3/4 площади всей поверхности суши.

Т Изверженные (магматические) горные породы образовались (и теперь образуются) из расплавленной магмы — огненно-жидкой мас­сы, излившейся из глубины земли в результате вулканической дея­тельности и затвердевшей. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных пород с особым строением и свойствами. Горные породы имеют мелкозернистое, аморфное или скрытокристаллическое строение и порфировое (рис. 3.2).

Jtv ^£йдо^ше^ластовые) породы представляют продукт выветри­вания изверженных горных пород при воздействии воды, ветра, дви­жения ледников, температурных изменений. По способу образования и составу осадочные горные породы подразделяют на_ойП£ШЛи.ные (механические отложения) — грубые продукты механического разру­шения изверженных пород; (гравий, пески, глина) рованные (песчаник, конгломерат, брекчия). К осадочным породам также относят ^.химические осадку (гипс, известняковые туфы), обра­зовавшиеся из продуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном виде, и органогенные породы (известняки, мел), обра­зовавшиеся из остатковПнбШ5ТоргБгх водорослей, живых организмов (скелеты, раковины, панцири ракообразных и др.).

Jj} Щепу^^щ^м горные породы образовались в результате глубоких изменений изверженных и осадочных пород под воздейст­вием высоких температур или больших давлений. Под влиянием та­ких физико-химических условий менялся химический и минералоги­ческий состав пород, происходила перекристаллизация минералов без их плавления, видоизменялась их структура.

Метаморфические гор­ные породы имеют слан­цеватое строение и более плотны, чем исходные осадочные. В строительст­ве из метаморфических пород применяют гнейсы, глинистые сланцы, квар­цит и мрамор

3.2. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

' Минералы имеют определенный химический состав и физиче­ские свойства. В составе земной коры более 2000 минералов, но толь­ко 50 из них участвуют в образовании горных пород. Их называют по­родообразующими минералами. Большинство породообразующих минералов являются кристаллическими телами и имеют анизотроп­ные свойства, т.е. их физические свойства неодинаковы по разным кристаллографическим направлениям.

Породообразующие минералы объединены в группы, рассмот- . рим основные из них.

Группа кварца. Кварц (Si0₂) — кристаллический кремнезем,

один из наиболее распространенных минералов в земной коре, входит в состав многих горных пород. Кремнезем является наиболее плот­ным, прочным и химически стойким минералом. Кварц встречается как бесцветный, так и с различными цветовыми оттенками: белый, розовый, зеленый. По своей структуре кварц не обладает спайностью, он имеет раковистый излом разнообразной формы и жирный блеск. Плотность кварца 2,65 г/см³, твердость 7 по шкале твердости, предел прочности при сжатии около 2000 МПа, хорошо сопротивляется исти­ранию, не реагирует с кислотами и щелочами. При температуре 1710 °С кварц плавится и после быстрого остывания образуется квар­цевое стекло. При разрушении изверженных горных пород стойкие зерна кварца не разрушаются, а образуют кварцевый песок.

В природе встречается минерал^оту^л^аморфной структуры — это гидрат кремнезема Si0₂ * 7гН₂0. Аморфный кремнезем активный,

может соединяться с известью при нормальной температуре.

Группа алюмосиликатов. Второе место после кремнезема в земной коре занимает глинозем А1₂0₃ . Глинозем обычно находится в

виде химических соединений с кремнеземом и другими оксидами, на­зываемых алюмосиликатами. Наиболее распространены в земной ко­ре алюмосиликаты — полевые шпаты. К этой же группе минералов относятся слюды и каолиниты.

— кристаллические минералы, в состав кото­рых входят оксиды кремния и алюминия, и, кроме того, в зависимости от вида полевого шпата в этот минерал входят, калий, натрий или кальций. Минерал участвует в образовании многих горных пород, ха­рактеризуется хорошо выраженной спайностью по двум направлени­ям. При ударе полевой шпат раскалывается на куски, имеющие пря­мой или косой угол. Прямораскалывающиеся шпаты называют ортоклазами— К₂0' А1₂С)д • 6Si0₂, а_косораскалывающиеся — mm- гиоклазами: кальциевый анортит СаО • А1₂0₃ -2Si0₂ и натриевый

альбит Na₂0 • А1₂0₃-6Si0₂. Ортоклазы в основном бывают светло-

розовые, буровато-желтые, а плагиоклазы — белые, серовато-белые с разными оттенками. Плотность полевых шпатов 2,55...2,76 г/см³, твердость 6 по шкале твердости, предел прочности при сжатии 120...170 МПа, при температуре 1170...1550 °С шпат плавится. Эти минералы обладают низкой атмосферостойкостью, подвергаются раз­рушению с образованием минерала каолинита. В чистом виде поле­вые шпаты применяются в качестве плавней при производстве кера­мических материалов.

_sCjvoda — водный алюмосиликат сложного и разнообразного со­става. Довольно распространенный минерал, входящий в состав изверженных пород. Особенностью слюды является ее способность расщепляться на тонкие упругие пластинки, т.е. она обладает совер­шенной спайностью. Большое содержание слюды придает горной по­роде слоистость, снижает ее прочность и стойкость, затрудняет поли­ровку. Плотность 2,8...3,2 г/см³, твердость 2...3 по шкале твердости. Наиболее распространенными разновидностями слюды являются мусковит и биотит.

М^сковиг^— прозрачная бесцветная слюда, хорошо сопротив­ляется выветриванию, биотит^— непрозрачная слюда черного или бурого цвета, разлагается в концентрированной серной кислоте, в то время как мусковит кислотостоек и обладает электроизоляционными свойствами.

Кполинит — водный алюмосиликат А1₂0₃ -2Si0₂ -2Н₂0, пред­ставляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфиче­ских горных пород. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветны, а сплошные массы могут иметь белый, желтоватый, бурый или зелено­ватый цвет. Плотность 2,5...2,6 г/см³, твердость 1. Каолинит входит в состав осадочных горных пород (глин, известняков, песчаников и др.). Каолинит является ценным сырьем для производства фарфора и фа­янса, а также огнеупорных материалов и изделий.

Группа железисто-магнезиальных силикатов. Минералы этой группы имеют темную окраску, поэтому их часто называют тем- ноокрашенными минералами. Они обладают высокой прочностью, значительной вязкостью (повышенной сопротивляемостью удару). Плотность 3,0...3,6 г/см³, твердость 5,5...5,7. Наиболее распространен­ные породообразующие минералы железисто-магнезиальной груп­пы — пироксены (авгиты),^qи оливин. Темноокра- шенные минералы входят преимущественно в состав изверженных горных пород.

Группа карбонатов и сульфатов. Минералы этой группы наиболее часто встречаются в осадочных породах. Важнейшие из них — кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.

_[Кр₍л^ит или кристаллический известковый шпат СаСОд —

один из самых распространенных минералов земной коры. Этот ми­нерал может быть бесцветным или окрашенным примесями в раз­личные цвета: розовый, желтый, темно-серый и черный. Он легко раскалывается по плоскостям спайности по трем направлениям. Плотность 2,6...2,8 г/см³, твердость 3. Этот минерал хорошо распозна­ется по вскипанию при действии на него раствора соляной кислоты. Кальцит встречается как в форме кристаллов и зерен, так и в виде монолитной массы. Кристаллы кальцита очень красивы. Кальцит хо­рошо цементирует зерна песка, присутствие его в осадочных горных породах делает их ценным сырьем для производства минеральных вяжущих веществ.

Магнезит (MgC0₃), как и кальцит, относится к карбонатным

минералам. Он тверже и тяжелее кальцита. Плотность 2,9...3,1 г/см³, твердость 3,5...4,5. В кислотах растворяется лишь при нагревании. В природе встречается реже, чем кальцит. Цвет его может быть от снежно-белого до белого с розовым или желтоватым оттенком. При­менение магнезита основано на высокой огнеупорности и вяжущих свойствах оксида магния.

^^олашгт (CaCOg MgCOg)— минерал, встречающийся в при­роде в виде двойной соли. Цвет доломита серовато-белый, иногда с желтоватым, зеленоватым или буровато-красным оттенком. Плот­ность 2,9 г/см³, твердость 3,5...4. Более твердый, прочный, менее рас­творимый в воде по сравнению с кальцитом. Доломит слагает породу того же названия. Применяется в качестве сырья для производства магнезиальных вяжущих веществ.

J3^^CaS0₄ -2Н₂0)— типичный минерал осадочных пород.

Имеет пластинчатое, волокнистое или зернистое строение. Гипс имеет белый цвет, иногда бывает прозрачен или окрашен примесями в раз­личные цвета: серый, красный и др. Плотность 2,3 г/см³, твердость 1,5...2, обладает легкой растворимостью в воде. Применяют гипс в производстве гипсовых вяжущих.