Лекции / Лекция 2

«…эпохе металлов предшествовало время, когда основным оружием и орудием человека были камни…»

(Тит Лукреций, ок. 99 до н. э. — 55 до н. э. — римский поэт и философ)

Лекция№ 2

ПРИРОДНЫЕ

КАМЕННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

2.1.Общие сведения и классификация горных пород

2.2.Породообразующие минералы

2.3.Магматические горные породы

2.4.Осадочные горные породы

2.5.Метаморфические горные породы

2.6.Материалы и изделия из природного камня

2.7.Защита от коррозии природных каменных материалов и изделий в сооружениях

2.1. Общие сведения и классификация горных пород

Как известно, история цивилизации начиналась с каменного века. Природный камень – первое добытое человеком полезное ископаемое, а природные каменные материалы, получаемые из горных пород, являются древнейшими строительными материалами. Не потеряли свою актуальность и востребованность природные каменные материалы и в настоящее время. Из горных пород сегодня производят отделочные и конструкционные изделия, вяжущие вещества (цемент, гипс, известь, жидкое стекло), бетоны, растворы, керамические и теплоизоляционные материалы, асбестоцементные изделия и другие материалы.

К горным породам относят значительные по объёму природные образования более или менее постоянного состава и состоящие из отдельных минералов (одного и более).

Минералы – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов или жизнедеятельности растительных и животных организмов, образующееся в земной коре естественным путём. Они имеют однородный химический состав, строение и свойства, т. е. минерал это физически и химически индивидуальное вещество. Если минерал химическое соединение элементов, то горная порода – механическое соединение минералов, т. е. это те камни, из которых строится «здание горных пород».

1

П р и м е ч а н и е – 1. Считается, что термин «горная порода» впервые употребил русский минеролог и химик В.С. Севергин.

2. В соответствии с ГОСТ 30629-2011 горная порода – полиили мономинеральный агрегат, образующий самостоятельное тело в земной коре, т. е. горные породы являются смесью минералов, которые благодаря времени, различным природным катаклизмам (воздействию температуры, давлению) перемешались, затвердели и обрели новые свойства.

3. Согласно международному классификатору природных камней, сегодня в распоряжении архитекторов и строителей имеется более 1 тыс. таких пород, которые они могут использовать при проектировании и строительстве зданий и сооружений.

Термин «минерал» позднелатинского происхождения (от minera – руда). В настоящее время известно почти 6 тыс. минералов, обнаруженных на нашей планете и в пределах видимого космоса, но в образовании горных пород участвует небольшая их часть (не более 100). Такие минералы называют породообразующими (англ. rockforming minerals), если их содержание в данной горной породе превышает 5% (кварц, полевые шпаты, слюды). Горные породы могут слагаться как одним минералом, так и их комплексом. Если горные породы состоят из одного минерала, то их называют мономинеральными (кварцит, известняк, кварцевый песок, гипс, яшма и др.). Породы, состоящие из нескольких минералов, называются полиминеральными гранит, диорит, диабаз, базальт и др.

П р и м е ч а н и е ‒ Самый дорогой минерал – красный алмаз (1 млн. долларов за карат). Просто алмаз стоит 15 тыс. долларов за карат. Карат = 200 мг (0,2 грамма).

Состав, строение, структура, текстура и условия залегания горных пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих в определённых физико-химических условиях. Согласно генетической (от греч. genesii – происхождение) классификации горные породы подразделяются на магматические (изверженные или первичные); осадочные (вторичные) и метаморфические или видоизменённые (рис. 2.1 и 2.2).

Рис. 2.1. Магматические (а), осадочные (б) и метаморфические (в) горные породы

2

П р и м е ч а н и е ‒ Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объема земной коры, но на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Следовательно, остальные 10% приходятся на долю осадочных горных пород, но они занимают порядка 75% площади земной поверхности.

2.2. Породообразующие минералы

Среди породообразующих минералов (англ. rock-forming minerals) выделяют первичные и вторичные. Первичные образовались при формировании горных пород (магматических и частично метаморфических), вторичные – позднее как продукты видоизменения первичных минералов и содержатся только в осадочных горных породах (гипс, каолинит). Для каждой группы горных пород характерны свои породообразующие минералы. При этом минералы, являющиеся для одних пород второстепенными, для других могут быть главными породообразующими.

П р и м е ч а н и е ‒ Большинство природных минералов находятся в твердом состоянии и имеют преимущественно кристаллическое строение, реже аморфное (опал). Могут быть также минералы жидкие (вода, нефть, ртуть) и газообразные (кислород, азот, аргон). Кроме того, различают главные (основные ‒ по содержанию свыше 10%), второстепенные (1…10%) и акцессорные минералы (менее 1% ‒ магнетит, ильменит, апатит).

Породообразующие минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на качественные показатели горных пород. К таким свойствам относятся прочность, твердость, спайность, излом, блеск, окраска, плотность и др. Причем одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят и т. д.

Все породообразующие минералы в зависимости от химического состава, кристаллической структуры, других показателей условно делят на группы:

кремнеземистые (силикаты), полевые шпаты (алюмосиликаты), железистомагнезиальные, карбонаты, сульфаты и др.

Группу кремнезема представляет кварц. Название происходит от старинного славянского наречия «твардц» - твёрдый. Впоследствии оно перешло в «кварц» и означало твёрдый камень. Кварц – это диоксид кремния (SiO2) или чистый кремнезём. В природе может находиться в двух модификациях: кристаллической и аморфной формах, часто в соединении с водой (SiO2·nH2O).

4

П р и м е ч а н и е ‒ Известны и другие разновидности кварца, различающиеся по цвету, твердости, форме, месторождениям и другим свойствам. Например, самым чистым, не содержащим примесей кварцем является горный хрусталь. Аморфной разновидностью является кварцевое стекло, природной аморфной разновидностью – горная порода обсидиан (вулканическое стекло с содержанием воды до 1%).

Диоксид кремния – это также и обычный кварцевый песок. Соединения кремния служат основой для производства многих строительных материалов, в т.ч. стекла, цемента и др.

Кристаллическое состояние кварца получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют занять “стройное положение” и получится аморфный кремнезем (рис. 2.3). Поэтому природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоев вулканов, имеет крупнокристаллическое строение. Вулканическое же стекло, застывшее на поверхности, имеет аморфное строение, поскольку охлаждение расплава было быстрым и молекулы не успели занять “стройное положение” ‒ получился аморфный кварц (минерал кремень).

Рис. 2.3. Схема кристаллической (а) и аморфной (б) структуры кремнезема

Рис. 2.4. Минерал кварц

5

Кристаллический кварц отличается сравнительно высокой плотностью (2,6…2,8 г/см3), прочностью (до 200 МПа), твёрдостью (7 – по шкале твёрдости Мооса), химической стойкостью и другими положительными свойствами. Он может быть прозрачным, бесцветным, белым, железистым или других цветов (рис. 2.4). При разрушении горных пород (выветривании) зерна кварца не разрушаются, а образуют кварцевый песок.

При обычной температуре (18…20 ) кварц не взаимодействует с кислотами (кроме плавиковой) и щелочами. А в среде насыщенного пара при повышенных температуре (150…200 ) и давлении в автоклавах кварц взаимодействует со щелочами, например, с известью Ca(OH)2, образуя гидросиликаты кальция (2СаО·SiО2·nН2О и 3СаО·SiО2·nН2О – составляющие цементного камня) или силикатные материалы (силикатный кирпич, силикатный бетон). При температуре 1710 кварц плавится и после быстрого охлаждения образует аморфный кремнезём (кварцевое стекло) плотностью 2,3 г/см3. В природе кварц встречается как в виде самостоятельной горной породы (кварцевый песок), так и в составе многих других горных пород (гранит и др.).

Кварц может находиться и в скрытокристаллической форме, хотя и редко. К скрытокристаллическим разновидностям кремнезёма относятся кремень, халцедон, агат, яшма и др. В условиях поверхностных зон земной коры они неустойчивы.

В аморфном состоянии кремнезём встречается в осадочных горных породах в виде минерала опала – SiО2·nН2О, т. е. гидратированного кремнезёма (рис. 2.5). Содержание химически связанной воды в нем от 2 до 20%. Аморфный кремнезём часто называют вулканическим стеклом (обсидиан). Гидратированный кремнезём обладает повышенной реакционной способностью к гидроксиду кальция Ca(OH)2 при обычной температуре. Такое свойство аморфного кремнезёма широко используют при изготовлении минеральных вяжущих, например, пуццолановых и шлакопортландцементов.

Рис. 2.5. Минерал опал

6

Некоторые горные породы целиком состоят из минерала опала – диатомиты, трепелы, опоки. Водный аморфный кремнезём является очень прочным природным цементирующим веществом, заполняя промежутки между зёрнами песка (в кремнистых песчаниках) и кальцита (в известняках).

П р и м е ч а н и е ‒ Однако применение горных пород, содержащих аморфный кремнезем, в качестве заполнителей для бетонов может привести к их разрушению через 15…20 лет.

Минерал кварц входит в состав всех трёх групп горных пород – магматических, осадочных и метаморфических, а также может находиться в природе и в виде самостоятельной горной породы – кварцевого песка, стекла, горного хрусталя.

Алюмосиликаты представляют собой химические соединения глинозёма с кремнезёмом и другими оксидами. К минералам группы алюмосиликатов относят полевые шпаты, слюды, каолиниты.

П р и м е ч а н и е ‒ Глинозём Аl2O3 занимает второе место в земной коре после кремнезёма. В природе встречается в виде минералов корунда и диаспора. Корунд является одним из наиболее твёрдых минералов. Его используют для производства высокоогнеупорных материалов и в качестве абразива. Диаспор представляет моногидрат глинозёма Аl2O3·Н2О и входит в состав бокситов, используемых в качестве алюминиевой руды и сырья для производства глинозёмистого цемента.

Полевые шпаты составляют около 60% массы земной и лунной коры и входят в состав метеоритов. Они участвуют в образовании магматических, метаморфических и некоторых осадочных горных пород (рис. 2.6). Вероятно отсюда и их название «полевые», т. е. встречающиеся на каждом поле. По химическому составу полевые шпаты – это алюмосиликаты натрия, калия, кальция или их смесей. Характерной особенностью всех полевых шпатов является их низкая атмосферостойкость и склонность к выветриванию – большая, чем у других породообразующих минералов.

При выветривании полевых шпатов образуется минерал каолинит (водный алюмосиликат – Аl2O3·2SiO2·2H2O) – основная составляющая глин. Каолинит имеет белый, даже белоснежный цвет, на ощупь слегка жирный и легко рассыпается. Глины с большим содержанием минерала каолинита тоже имеют белый цвет и называются огнеупорными. Полевой шпат в смеси с каолином и кварцем являются сырьевой смесью для получения фаянса, фарфора и полуфарфора.

В группу сложных алюмосиликатов входят слюды. Они имеют слоистую структуру (совершенную спайность в одном направлении) и поэтому способны легко расщепляться на тончайшие гибкие пластинки (рис. 2.7). В составе горных пород (многих магматических и осадочных) чаще всего встречаются две разновидности слюды – мусковит и биотит.

7

Рис. 2.6. Минерал полевой шпат

Мусковит (от старинного названия России – Московия, где она впервые была найдена) – это прозрачная и бесцветная калиевая слюда. Листы этого минерала (мусковита) под названием «московское стекло» в ХVI… ХVII веках экспортировали в Европу.

8

Рис.2.7. Слюда

Биотит – это непрозрачная железисто-магнезиальная слюда. При выветривании биотит превращается в гидратированную разновидность «вермикулит». Цвет этого минерала желтовато-бурый или золотисто-желтый. В обожженном состоянии вермикулит применяется в качестве теплоизоляционного материала.

П р и м е ч а н и е ‒ Слюды понижают прочность горных пород и ускоряют их выветривание.

Характерной особенностью железисто-магнезиальных минералов является их высокая плотность (3000…3600 кг/м3), ударная вязкость, стойкость против выветривания и тёмная окраска. Поэтому их называют ещё «тёмноокрашенными». При большом их содержании в горных породах они придают им тёмный цвет и большую вязкость, т. е. повышенную сопротивляемость удару. К ним относят пироксены, амфиболы, оливины и др. Они входят в состав таких горных пород, как габбро, диабазы, базальты.

Группу карбонатов представляют кальцит, магнезит, доломит и др. Кальцит (известковый шпат) – самая распространённая форма безводного карбоната кальция (СаСО3) в земной коре. Состоит в основном из CaO ‒ 56% и CO2 ‒ 44% по массе и незначительного количества других оксидов (рис. 2.8а). Легко распознается по шипению или вскипанию при действии на него разбавленной соляной кислотой в результате выделения углекислого газа (СО2). По красоте и разнообразию кристаллов

9

кальцит занимает I место среди других минералов. При этом чистый кальцит – бесцветен, при наличии примесей имеет белый, серый или другие окрашенные светлые оттенки. Средняя плотность – 2,7 г/см3, твердость ‒ 3. Входит в состав известняков, мела, мрамора, доломита. травертина и других горных пород.

Характерной особенностью кальцита является способность при температуре 900…1100 разлагаться на СаО и СО2. Оксид кальция (СаО) представляет собой вяжущее вещество – известь.

Рис. 2.8. Минералы: кальцит (а) и доломит (б)

Магнезит – карбонат магния МgСО3 (горный шпат). Имеет химическое происхождение. В земной коре содержится значительно меньше, чем кальцита. Он тверже и тяжелее кальцита (рис. 2.9). Входит в состав одноименной горной породы – магнезита и других (доломита, известняка).

Рис. 2.9. Минерал магнезит

10