2. Минералы и горные породы

1)

Минерал (от лат. minera — руда) — природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве — твердые тела: кристаллические и аморфные.

В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал обладает комплексом только ему присущих свойств и признаков. К ним относят химический состав и строение, плотность, твердость, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, светопреломление и др.). По этим признакам идентифицируют минералы.

Твердость — наиболее характерное свойство минералов. Существует много методов определения твердости (см. п. 2.5), простейший из них — метод оценки относительной твердости по десятибалльной шкале (табл. 4.1), предложенной немецким геологом Ф. Моосом (1811).

Характерным признаком большинства минералов, имеющих кристаллическое строение, является спайность — способность минерала раскалываться по строго определенным плоскостям. Так, слюда имеет весьма совершенную спайность в одной плоскости; совершенная спайность у кальцита — он практически всегда раскалывается по трем плоскостям, образуя косые параллелепипеды. Спайность отсутствует, например, у кварца, кристаллы которого при ударе раскалываются на неправильные куски, имеющие раковистый излом.

Спайность — свойство с точки зрения строителя отрицательное, так как уменьшает стойкость и прочность соответствующей горной породы и ухудшает ее обрабатываемость (шлифовку, полировку).

Ниже приводится краткая характеристика основных породообразующих минералов.

Минералы группы кремнезема Si02 — ряд минералов, представляющих собой модификации диоксида кремния — кварц, опал и халцедон.

Кварц — наиболее распространенная модификация кремнезема, являющаяся существенной составной частью многих горных пород (гранита, кварцита, песка и др.). Плотность кварца — 2650 кг/м , твердость — 7, прочность, стойкость к выветриванию и химическая стойкость — очень высокие. Плавится кварц при 1710 °С; при быстром охлаждении расплава образуется кварцевое стекло. При температуре 573 °С кварц переходит из р-модификации в а-модификацию с увеличением в объеме на 0,82 %. Это может вызвать растрескивание кварцесодержащих пород при нагреве их выше этой температуры. Обычно цвет кварца молочно-белый; крупные прозрачные кристаллы кварца называют горным хрусталем, окрашенные в лиловый цвет — аметистом, а в золотисто-желтый — цитрином.

Халцедон — скрытокристаллическая разновидность кварца, содержащая до 1,5 % воды и примеси оксидов железа и алюминия.

Опал — гидрат оксида кремния Si02 * лН20 (содержание воды 2… 14 %); в опале могут быть примеси оксидов магния, алюминия, железа и др. Встречается в породах органогенного происхождения: диатомитах, трепеле и др.

Полевые шпаты (от нем. spalten раскалываться) — группа алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов общей формулой Me * А1203 * «Si02 (где Me — калий, натрий или кальций). Полевые шпаты — самые распространенные минералы, составляющие более 50 % от массы изверженных пород (гранитов, сиенитов, габбро и др.).

Главнейшими разновидностями полевых шпатов являются: – ортоклаз (прямораскалывающийся) К20 * А1203 * 6Si02; – плагиоклазы (косораскалывающиеся) непрерывного изоморфного ряда от альбита Na20 * А1203 * 6Si02 до анортита СаО * А1203 * 2Si02.

Полевые шпаты — довольно твердые минералы: твердость — 6…6,5. Спайность у них проявляется в двух плоскостях. Плотность в зависимости от состава — 2500…2800 кг/м . Температура плавления — 1200… 1500 °С. Прочность и стойкость несколько ниже, чем у кварца (Лсж до 200 МПа).

Цвет полевых шпатов зависит от примесей и зачастую бывает от белого до темно-серого и от светло-розового до темно-красного. Особым декоративным эффектом отличается относящийся к группе полевых шпатов Лабрадор, обладающий свойством ирризации (от греч. iris — радужный). Он образует яркие радужные отсветы из глубины кристаллов при общем темно-сером цвете породы.

При выветривании полевых шпатов образуются глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит и др.) и соли натрия, калия и кальция, обогащающие воду морей ионами Na+, K+, Са2+.

Железистомагнезиальные силикаты — темноокрашенные минералы, входящие в состав основных и ультраосновных изверженных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Наиболее распространенные минералы этой группы — пироксены, амфиболы, роговая обманка и оливин.

Средняя плотность у этих минералов больше, чем у кварца и полевых шпатов, за счет присутствия железа — 3200…3800 кг/м ; твердость — 5,5…6,5. Отличительная черта железистомагнезиальных силикатов — высокая ударная вязкость, благодаря чему породы, в которых присутствуют эти минералы, имеют меньшую хрупкость и повышенную износостойкость. Цвет минералов этой группы — от темно-зеленого до черного; он зависит от содержания железа в их составе. Все минералы этой группы, за исключением оливина, стойки к выветриванию.

Слюды — группа минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. легко расщепляющиеся на тончайшие пластинки. Твердость слюд невысока — 2,5…3. Слюда — широко распространенный минерал изверженных и осадочных пород. Общее количество слюды составляет несколько процентов от массы всей земной коры, но промышленные месторождения слюды с крупными кристаллами (10 см и более) встречаются редко. Среди слюд наибольшее распространение имеют мусковит и биотит.

Мусковит — прозрачная калиевая слюда плотностью 2750… 3000 кг/м . Вплоть до XVIII в., т. е. до начала промышленного выпуска стекла, мусковит применяли для устройства окон, и в Европе его называли «vitrum Moscovitum» — стекло из Московии. В настоящее время мусковит применяют в качестве электроизоляционного высокотемпературного материала, защитной (бронирующей) посыпки для рубероида, а также добавляют в составы огнеупорных красок и декоративных растворов.

Биотит — темная железистомагнезиальная слюда; плотность — 3000…3300 кг/м . Для строителей представляет интерес ее разновидность — вермикулит с молекулярной межслоевой водой. Благодаря этому вермикулит при нагревании до 900… 1000 °С вспучивается как гармошка, увеличиваясь в объеме в 15…20 раз. Вспученный вермикулит применяют для изготовления тепло- и звукоизоляционных материалов.

Асбест — группа минералов, водных силикатов магния и железа, кристаллы которых представляют собой тончайшие волокна, легко поддающиеся распушке (отсюда народное название асбеста — «горный лен»). В России находятся крупнейшие в мире месторождения наиболее ценного вида асбеста — хризотил-асбеста 3MgO * 2Si02 * 2Н20, используемого при производстве асбестоце-ментных изделий (п. 14.5).

Глинистые минералы — группа водных силикатов алюминия общей формулой А1203 * rtSi02 * /иН20. Эти минералы составляют основную массу глин. Образуются глинистые минералы в результате выветривания полевых шпатов в виде очень мелких частиц размером не более 0,01 мм, которые, в свою очередь, представляют агрегаты мельчайших кристаллов. Глинистые минералы гидрофильны и при увлажнении образуют пластичное тесто (п. 5.2). Среди глинистых минералов чаще всего встречаются каолинит и монтмориллонит.

Каолинит А12Оэ * 2Si02 * 2Н20 — очень мягкий (твердость 1) минерал белого цвета. Используется при производстве тонкой керамики, для получения бумаги и в качестве наполнителя в полимерных материалах.

Монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава. Размер его чешуйчатых кристаллов еще меньше, чем у каолинита, благодаря чему он обладает высокой адсорбционной способностью и очень пластичен в увлажненном состоянии.

Карбонаты — группа минералов, представляющих собой соли угольной кислоты. Встречаются в основном в осадочных породах. Стойкость минералов невысокая. Основные представители минералов группы карбонатов — кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит СаС03 — один из наиболее распространенных минералов поверхностного слоя земной коры. Кальцит хрупок, обладает совершенной спайностью по трем плоскостям; при раскалывании всегда образует кристаллы в виде косых параллелепипедов. Кальцит без примесей — прозрачный. Его плотность — 2700…2750 кг/м3, твердость — 3. Он легко разлагается кислотами, с бурным выделением углекислого газа, растворяется в воде, насыщенной С02. При нагревании выше 800 °С кальцит разлагается на СаО и С02. Породы, сложенные из кальцита (мел, известняк, мрамор), характеризуются низкой химической и атмосферостойкостью.

Магнезит MgC03 по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже. Плотность — около 3000 кг/м3, твердость — 3,5…4,5. В отличие от кальцита растворяется в разбавленных кислотах лишь при нагревании. Образует породу того же названия.

Доломит СаС03 * MgC03 — довольно распространенный минерал, по свойствам занимающий промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. Плотность — 2800…2900 кг/м , твердость — 3,5…4. В кислотах растворяется, но без «вскипания». Образует породу того же названия.

Сульфаты — группа минералов, представляющих собой соли серной кислоты. В строительстве находят применение гипс, ангидрит и в меньшей степени барит.

Гипс CaS04 * 2Н20 — очень мягкий минерал. В чистом виде прозрачный, но обычно окрашен примесями в светло-серый, желтоватый или розоватый цвет, а его плотность — 2320 кг/м , твердость — 2. Гипс заметно растворим в воде (2,4 г/л при 20 °С). В природе встречается как самостоятельная порода и как цементирующее вещество в природных конгломератах.

Ангидрит CaS04 — безводная разновидность гипса — существует в нескольких кристаллических формах. Природная форма — P-CaS04 — нерастворимый ангидрит. Плотность — 2980 кг/м, твердость — З...3,5. Цвет светло-серый, серо-голубой; за счет полупрозрачности дает эффект свечения изнутри.

Барит BaS04 — бесцветные или белые кристаллы; твердость — З...3,5; плотность — 4300…4700 кг/м . Его применяют в бетонах и растворах для защиты от ионизирующих излучений.

2)

Природные каменные материалы получают из горных пород, залегаемых в верхних слоях земной коры в виде сплошных массивов и скоплений обломков разной крупности. Каменные строительные материалы получают механической обработкой горных пород путем раскалывания, распиловки, дробления, обтески, шлифовки и полировки, поэтому их свойства в основном зависят от качества исходной горной породы, ее химических, физических и механических свойств. Качество горных пород, из которых изготовляют дорожностроительные материалы, в свою очередь, зависит от минералогического состава, структуры, текстуры и состояния свежести породы.

По геологическому происхождению (генезису) горные породы разделяются на три основные группы с подгруппами:

I.  Изверженные (магматические) —первичные: А. Глубинные (интрузивные) —граниты, сиениты, диориты, габбро и др. Б. Излившиеся (эффузивные)—диабазы, порфиры, базальты, туфовые лавы и др.

II. Осадочные — вторичные: А. Механические, обломочные отложения: 1)рыхлые — валуны, щебень, гравий, песок; 2) сцементированные — песчаники, конгломераты, брекчии. Б. Органогенные и химические образования —различные известняки, доломиты, магнезиты, гипс, ангидрит.

III.  Метаморфические   (видоизмененные)—гнейс,   мраморы, кварциты.

По химическим исследованиям состава горных пород верхних слоев земной коры выявлено преобладание в них кремнезема SiO₂— 59,12% и глинозема Аl₂О₃— 15,34%, дальше следует окись кальция СаО — 5,08%, окись натрия N₂O — 3,84, окись железа FeO —3,80; окись магния Mg —3,49; К₂О — 3,13; Fe₂O₃ —3,08% и немного других окислов и химических элементов. Как видно, породообразующие минералы изверженных пород по своему химическому составу разнообразны. Примерно из 2500 различных минералов породообразующими являются около 50.

Главные породообразующие минералы распределены в горных породах, применяемых в строительстве, примерно в следующих пропорциях: полевые шпаты (ортоклазы и плагиоклазы) — 57,9—59,5%; роговая обманка, авгит; оливин, змеевик— 16,8%; кварц— 12— 12,6; слюда 3,6—3,8; кальцит (известковый шпат) — 1,5; каолинит и другие аналогичные минералы— 1,1 % и т. д.

Горные породы представляют собой более или менее однородные минеральные агрегаты, слагающие земную кору, состоящие из одного или нескольких минералов, Горные породы, состоящие из одного минерала, называют простыми или мономинеральными (кварцит, гипс), а из нескольких минералов (гранит, базальт, гнейс) — сложными или полиминеральными.

3)

Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры, осадочные горные породы и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых иводных растворов, при этом они начинают изменяться.