Лекции / Лекция 2

Рис. 2.19. Вулканические пепел, песок и пемза

21

Рис. 2.20. Туфовая лава и вулканический туф

Туфовые лавы образовались при быстром вспенивании изливающихся лав, резком падении давления и одновременном примешивании к ней разнообразного вулканического материала (пепла, песка). Количественное соотношение лавы и твёрдого обломочного материала в ней варьируется в различных пределах, что приводит к образованию многообразных по составу, строению, окраске и физикомеханическим свойствам пород (рис. 2.20).

Туфы и туфовые лавы залегают массивами и используются для производства стеновых камней, крупных блоков, в качестве заполнителя и активной минеральной добавки.

2.4. Осадочные горные породы

Осадочные горные породы имеют вторичное происхождение. Их образование происходило как на поверхности Земли или в приповерхностной ее части из продуктов разрушения ранее существовавших горных пород, так и на дне водных бассейнов из остатков отмерших организмов, растительного мира (водорослей и т. п.). Процесс образования протекал по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Такие породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения при мощности отложений от нескольких дециметров до нескольких сот метров. В одном и том же

22

месте могут чередоваться слои разнообразного состава, например, глины, песка, известняка, мергеля, песчаника, сланца, конгломератов и др. Поэтому все осадочные породы имеют практически одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки – слоистость и пористость. Они отличаются также многообразием структур и текстур, с широким варьированием формы и размеров частиц.

В зависимости от условий образования их подразделяют на породы химического, органогенного и механического (обломочного) происхождения. Породы химического и органогенного происхождения часто бывают связаны друг с другом рядом переходов. Структура химических пород определяется размерами кристаллов слагающих их минералов (крупно-, средне-, мелкозернистая, скрытокристаллическая), а органогенных – сохранностью входящих в них остатков и принадлежностью их к тем или иным группам организмов. Органические остатки могут быть разрушены и не разрушены.

Породы химического происхождения образовались в результате осаждения минеральных веществ из истинных (путём кристаллизации) и коллоидных (вследствие коагуляции) растворов с последующим уплотнением и цементацией. Общая особенность таких пород – пористость, трещиноватость и растворимость в воде. К ним относят доломит (CaCO3·MgCO3), гипс (CaSO4·2H2O), ангидрит (CaSO4), магнезит

(MgCO3) и др.

Доломиты (по имени франц. учёного Д. Доломье) – состоят из минерала того же названия CaCO3·MgCO3 с примесями других веществ (кальцит, ангидрит, кварц). Образуются в основном путём химического изменения известняковых пород и выпадением из водных растворов. По структуре преимущественно плотные породы (плотность составляет ≈ 2850 кг/м3), цвет – серовато-белый с желтоватым, буроватым и зеленоватым оттенками до чёрного. Твёрдость ‒ 3,5…4,0. По составу различают доломит (более 90% минерала доломита), известковистый доломит (50…90%) и доломитизированные известняки (менее 50% минерала доломита). Применяют для изготовления облицовочных плит, щебня для бетона, огнеупоров, минеральных вяжущих веществ, в стекольной промышленности. Месторождения доломита имеются в Витебской и Могилёвской областях Республики Беларусь.

Гипсовый камень (гипс) – плотная порода белого или светло-серого цвета. Образовалась примерно 100…200 млн. лет назад вследствие гидратации залежей ангидрита или выветривания соляных месторождений. Состоит из минерала того же названия – гипса (CaSO4·2H2O). Содержит в своём составе кристаллизационную воду, способную выделяться при нагревании с образованием полуводного или безводного гипса (ангидрита). В соляной кислоте и горячей воде заметно растворим. Средняя плотность составляет 2100…2300 кг/м3, истинная ˗ 2,3…2,4 г/см3, твёрдость – 1,5…2. Основное применение – сырьё для производства гипсовых вяжущих веществ

23

(ГОСТ 4013). Применяется также как декоративный камень для внутренней облицовки зданий, в качестве добавки к цементам для регулирования сроков схватывания, в керамической промышленности, производстве лакокрасочных и других материалов.

П р и м е ч а н и е ‒ Волокнистая разновидность гипса называется селенитом, а зернистая, напоминающая мрамор, – алебастром. Не следует смешивать горную породу «алебастр» с тонко измельченным обожженным гипсом, который в старину тоже называли алебастром. Безводной (обезвоженной) разновидностью гипса является горная порода ангидрит (CaSO4).

Органогенные горные породы образовались в результате отложения и уплотнения (цементации) отмерших организмов, водорослей и других растений. Они могут быть кремнистого и карбонатного составов. К первым относятся диатомиты, трепелы, опоки. Ко вторым – известняк, мел и др.

Известняк (белый камень) – образовался в водных бассейнах из остатков животного и растительного мира, или как продукт химических осадков. Рыхлые скопления этих осадков уплотнялись давлением воды и скреплялись углекислым кальцием.

Известняк самая распространенная осадочная горная порода. Более 10% всех отложений земного покрова занимают известняки различного качества и свойств. Состоит в основном из минерала кальцита CaCO3 и примесей глины, кварца, доломита

идр. Примеси MgCO3 и SiO2 повышают твёрдость, прочность и стойкость известняков.

Взависимости от условий образования различают известняки плотные и пористые (рис. 2.20). Плотность известняков составляет от 800 кг/м3 (известнякракушечник, травертин) до 2800 кг/м3 (плотные кристаллические), прочность на сжатие соответственно от 0,4 до 300 МПа. Твёрдость известняков невелика, поэтому они хорошо поддаются обработке. Известняки имеют белый, светло-серый, желтоватый и розоватый цвета, но с примесями могут иметь любой цвет вплоть до чёрного. Используются для производства извести, портландцемента, а также щебня и облицовочных плит. Однако для облицовки зданий и изготовления архитектурностроительных изделий больше используются мраморизованные известняки.

Травертин (от итал. travertino) представляет собой известковые отложения углекислых источников и является самым распространённым отделочным и строительным материалом со времён Римской Империи. Имеет мелконоздреватое строение и высокую прочность на сжатие (до 80 МПа). Порода мягкая, легко пилится, шлифуется, полируется. На рынок поставляется однородных пастельных оттенков: белого, бежевого, коричневого, жёлтого и др. Используется в архитектуре больших и малых форм – фасады, цоколи, колонны, тротуары, внутренние стены, полы и т. п. (рис. 2.21). В Минске травертином частично облицованы внутренние стены кинотеатра «Октябрь».

24

Рис. 2.20. Ленские столбы России из карбонатных пород (известняков) и разновидности структуры известнякового камня

Рис. 2.21. Образцы травертина и мечеть «Сердце Чечни» в Грозном, облицованная травертином

Известняк-ракушечник – пористая порода, состоящая из раковин моллюсков и их обломков, сцементированных известковым веществом. Он хорошо пилится и

25

обрабатывается. В нём очень много сердцевидных пустот, оставшихся от растворения раковин. Пустоты в данном случае играют положительную роль. Они способствуют лучшему сцеплением с раствором при облицовке плиткой и кладке блоков. Небольшая плотность и малая теплопроводность позволяют использовать известняк-ракушечник для изготовления стеновых блоков. Используется также и как отделочный стеновой материал. В Минске известняком-ракушечником облицован кинотеатр «Октябрь».

Мергель – представляет собой механическую смесь известняка и глины в различных соотношениях (рис. 2.22). В зависимости от породообразующих карбонатных минералов подразделяется на известняковый и доломитовый. Средняя плотность составляет 1900…2500 кг/м3, а прочность на сжатие – до 60 МПа. При соотношении известняка и глины 3:1 (СаСО3 – 75…80%, Al2O3 + SiO2 – 20…25%) мергели используют для производства цементов.

Рис. 2.22. Горная порода мергель

Мел – аморфная модификация карбоната кальция. По химическому составу почти целиком состоит из минерала кальцита (СаСО3). Образовался из мельчайших остатков раковин простейших организмов (растительных и планктонных животных – 60…70%). Остальная часть породы (30…40%) – тонкозернистый порошкообразный кальцит – возникла химическим путём. Мел отличается пористой структурой, имеет белый цвет и небольшую прочность. Используется для приготовления красок, замазок, шпаклёвок, а

26

также при производстве извести, цементов и стекла. В Республике Беларусь разведано более 30 месторождений мела (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Мел

Диатомиты и трепелы представляют собой породы с большим содержанием водного аморфного кремнезёма. Они образовались из остатков древних морских микроорганизмов и панцирей диатомитовых водорослей, одетых тонкой прочной кремниевой оболочкой. После отмирания растений панцири оставались на дне водоёмов и уплотнялись вместе с осаждавшимися между ними глиной и илом. Как трепелы, так и диатомиты имеют почти одинаковый химический состав и физические свойства. Их скелеты состоят почти из чистого диоксида кремния (кварцевого песка). Они имеют твердую хаотичную структуру и большую площадь поверхности, пористость составляет 60…70%, плотность – 350…950 кг/м3.

Трепел (получил название от г. Триполи (Сев. Африка) – места первых находок), в отличие от диатомита, порода более раннего происхождения, т. е. образовалась раньше диатомита. С течением времени трепел превращается в тонкопористую или плотную породу, почти полностью состоящую из аморфного кремнезёма – опоку. Опока, как и трепел, состоит из зёрнышек опала и остатков кремневых скелетов

27

организмов, сцементированных кремнистым веществом. Применяют опоку в качестве стенового камня и заполнителя для лёгких бетонов в естественном или термообработанном виде.

Диатомиты и трепелы отличаются большой химической активностью. Используются в качестве активной (гидравлической) минеральной добавки к цементам, наполнителя в производстве пластмасс и как тепло- и звукоизоляционный материал. После термообработки породы в 1,5…2 раза снижается плотность. Продукт термообработки используется в качестве заполнителя для бетона (получил название

«термолит»).

Обломочные горные породы образовались под действие природных факторов (вода, попеременное замораживание и оттаивание, нагрев и охлаждение, ветер, углекислый газ и др.), т. е. в результате механического разрушения магматических и метаморфических пород и по размеру обломков подразделяются на грубообломочные (валуны, щебень, гравий), песчаные, пылеватые и глинистые. Они могут быть рыхлые и сцементированные. В сцементированных породах связующим служили карбонаты (кальцит, доломит), оксиды кремния (опал, халцедон, кварц), оксиды железа, глинистые минералы и ряд других. К рыхлым породам относят песок, щебень и гравий (СТБ ЕН 932-1), к цементированным – конгломераты, брекчии, песчаники и др.

Наряду с механическим разрушением может проходить и химическое разрушение. Так, например, при разрушении полевошпатовых горных пород с последующим взаимодействием полевого шпата с водой и диоксидом углерода образовались водные силикаты алюминия и, в частности, минерал – каолинит – основная составляющая глины.

Песок – это рыхлая смесь зёрен горных пород крупностью 0,16…5 мм (рис. 2.24). По составу песок делят на кварцевый, известняковый, полевошпатовый, пемзовый и др. Наиболее распространёнными в природе являются пески, состоящие из минерала кварца, как более устойчивого к выветриванию. По происхождению они подразделяются на горные, овражные, морские, речные и дюнные. При оценке качества песка учитывают его минералогический и гранулометрический составы, форму зёрен, межзерновую пустотность и др. Применяются пески в качестве мелкого заполнителя в бетонах и растворах, для устройства оснований в дорожном строительстве, для производства силикатных материалов, керамики, стекла и других материалов.

Гравий – смесь окатанных обломков горных пород размером 5…70 мм (рис. 2.25). Более крупные обломки (70…150 мм) называют галечником. Применяются в качестве крупного заполнителя для бетонов и балласта при строительстве дорог. Природная смесь зёрен песка и гравия в разных соотношениях называется песчаногравийной смесью. При сортировке (просеивании) получают песок и гравий.

28

Рис. 2.24. Песок

Рис. 2.25. Гравий

Глина представляет собой горную породу, очень сложную и непостоянную как по составу входящих в нее минералов, так и по физическим и технологическим свойствам. Состоит из мельчайших частиц размером менее 0,005мм минералов группы алюмосиликатов (каолинита, монтмориллонита, других глинистых минералов), а также частиц кварца, слюды, полевых шпатов.

29

Характерной особенностью глины является способность её приобретать пластичность при увлажнении, сохранять заданную форму после высушивания и снова приобретать пластичность при увлажнении, а после обжига переходить в камневидное состояние. Применяется в керамической и цементной промышленности.

П р и м е ч а н и е ‒ 1. Глины образовались в результате выветривания полевошпатовых горных пород. Полевой шпат состоит из четырех основных соединений – оксида алюминия (глинозема), оксида кремния (кремнезема) и оксидов калия и натрия. При выветривании полевого шпата удаляются два последних соединения, и образуется глина, состоящая из глинозема (39,5%), кремнезема (46,5%) и воды. Однако в чистом виде природная глина встречается редко, и содержит, как правило, примеси слюды, песка, углекислых солей кальция и магния, соединений железа. Содержанием соединений железа во многом определяется цвет глины (рис. 2.26).

2. Большинство глин имеют полиминеральный состав. Однако встречаются глины с преобладанием одного минерала – каолинитовые (каолины) и монтмориллонитовые (бентониты). Каолинитовые глины – жирные. Примеси кварца, халцедона, опала, оксидов железа делают глину тощей. Глины, состоящие из каолинита, гидроксидов алюминия и слюды называются огнеупорными с температурой плавления около 1700.

Рис.2.26. Разновидности глины

Каолин (фарфоровая глина) – смесь особо чистых глин белого цвета и песка. Основной составляющей частью каолина тоже является минерал каолинит. Применяется в фарфоровой и фаянсовой промышленности.

Песчаники – это плотная порода, состоящая из зёрен песка (чаще всего кварца), сцементированных различными природными примесями-растворами. В зависимости от

30