m33170

химическому составу и физическим свойствам, продукт физикохимических процессов, совершающихся в земной коре или в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Минералы являются составными частями горных пород, образующих земную кору.

Из всего многообразия (свыше 2 тыс.) природных минералов только небольшая часть участвует в образовании горных пород. К таким минералам, называемым породообразующими, относят кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, сульфаты, желе- зисто-магнезиальные минералы.

От минералогического состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы характеризуются высокой прочностью, твердостью и химической стойкостью (кварц), другие имеют незначительную прочность, недостаточную химическую стойкость, способны значительно поглощать воду (гипс); третьи способны легко расщепляться по плоскости (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят.

Рассмотрим основные породообразующие минералы. Группа кварца. В наибольшем количестве в земной коре

содержится свободный кремнезем SiO2. В состав большинства минералов он входит в виде силикатов – химических соединений с основными окислами. Кварц обычно непрозрачен, белого или молочного цвета, с щелочами при обычной температуре не взаимодействует и под действием кислот не разрушается. Плотность кварца - 2,65 г/см3, твердость - 7 по шкале твердости, предел прочности при сжатии - около 200 МПа.

Кроме кремнезема в природе встречается минерал опал аморфной структуры, представляющий собой гидрат кремнезема SiO2 × пН2 О. Аморфный кремнезем активен. Он может вступать в химическую реакцию с известью при обычной температуре, в то время как кварц приобретает эту способность только под действием пара, большого давления или при сплавлении.

Группа алюмосиликатов. Второе место после кремнезема в земной коре занимает глинозем Al2O3. Свободный глинозем в природе встречается в виде минералов: корунда и диаспора.

31

Корунд – один из наиболее прочных и твердых минералов. Диаспор представляет собой моногидрат глинозема Аl2О3 × Н2О .

Он входит в состав бокситов, используемых в качестве сырья для производства глиноземистого цемента.

Глинистые минералы играют в составе осадочных пород исключительно важную роль. Они слагают глины, а также могут находиться в качестве примеси в песчаниках, известняках и многих других породах.

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемыми алюмосиликатами. Наиболее распространен полевой шпат. Различают

циевый полевой шпат) - СаО × Аl2О3 × 2SiO2. Полевые шпаты имеют плотность 2,55–2,76 г/см3, твердость - 6 по шкале твердости, прочность при сжатии – 120–170 МПа. Стойкость против механического выветривания незначительна.

Слюды представляют собой водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Характерная их способность – легкая расщепляемость на тонкие, гибкие и упругие пластинки (мусковит, биотит, вермикулит).

Каолинит ( Al2O3 × 2SiO2 × 2H2O ) представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических полеватошпатовых горных пород. Входит в основном в состав глин.

Группа железисто-магнезиальных силикатов: минералы,

входящие в эту группу, имеют темную окраску, твердость - 5,5– 7,5 по шкале твердости, обладают повышенной сопротивляемостью удару. Наиболее распространены пироксены, амфиболы и оливин.

Группа карбонатов. В осадочных горных породах наиболее часто встречаются породообразующие карбонатные минералы – кальцит, магнезит, доломит.

Кальцит (СаСО3) – один из самых распространенных минералов земной коры, имеет плотность 2,7 г/см3, твердость - 3.

Магнезит (МgCO3) встречается в виде землистых агрегатов, он тяжелее и тверже кальцита.

32

Доломит (СаСО3 ·MgCO3) по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд и прочен, мало растворим в воде.

Эти группы минералов широко используются для изготовления минеральных вяжущих.

Группа сульфатов. Наиболее распространены гипс и ангидрит. Гипс (СаSO4 × 2Н 2О ) - минерал осадочных горных пород,

строение его мелкокристаллическое. Плотность - 2,3 г/см3, твердость - 2 по шкале твердости.

Ангидрит (СаSO4)имеет плотность 2,8 г/см3, твердость - 3– 3,5. По внешнему виду похож на гипс, также залегает пластами.

2.2. Классификация горных пород по происхождению

В зависимости от условий образования горные породы делят на три основные группы: изверженные (или первичные), осадочные (или вторичные) и метаморфические (или видоизмененные) (рис.5).

Первичные горные породы в зависимости от того, где остывала магма, подразделяют на глубинные, излившиеся и вулканические.

Глубинные породы образовались в результате остывания магмы на большой глубине от поверхности в условиях высокой температуры и давления. Магма остывала медленно, при этом получались более или менее крупные зерна различных минералов, прочно сросшиеся между собой без всяких цементирующих веществ и различимые невооруженным глазом. Такую структуру называют гранитной или крупнокристаллической. При испытании образцов глубинных пород на сжатие они разрушаются по самим зернам, а не по поверхности их соприкосновения. К представителям этих горных пород относят граниты, сиениты, диориты, габбро.

Излившиеся горные породы образовались в результате остывания магмы, излившейся в виде лавы на поверхность Земли или близко к поверхности при давлении и температуре, мало отличающихся от существующих на поверхности. В таких условиях остывание магмы происходило быстро, вследствие чего не успевали образоваться крупные зерна, поэтому новейшие излившиеся породы имеют скрытокристаллическую или аморфную, стекло-

33

видную структуру, представляющую собой массу мелких зерен, в которой имеются крупные включения, образовавшиеся в магме при более или менее длительном охлаждении ее в глубоких слоях земной коры.

I. Изверженные горные породы

II. Осадочные горные породы

Рыхлые Сцементированные

III. Метаморфические горные породы

Рис. 5. Классификация горных пород по происхождению

34

К представителям этих горных пород относятся порфиры, андезиты, трахиты, диабазы, базальты.

Кроме указанных выше массивных пород к изверженным горным породам относят вулканические продукты переотложения и цементации рыхлого материала, выбрасываемого вулканами; их разделяют на рыхлые (вулканические пеплы, песок, пемза) и цементированные (вулканические туфы, трассы, туфовая лава).

Ниже рассмотрим по одному-двум представителям каждого класса.

Гранит – глубинная горная порода, одна из самых распространенных. Порода кислая, состоит из кварца (20–40 %), ортоклаза (40–70 %) и слюды (5–20 %). Структура гранита ярко выраженная зернистокристаллическая, средняя плотность - 2600–2800 кг/м3, предел прочности при сжатии - 100–250 МПа. По размерам зерен различают граниты крупно-, средне-, мелкозернистые. Мелкозернистые граниты лучше сопротивляются механическим воздействиям, равномернее изнашиваются при истирании. Благодаря невысокой пористости и малому водопоглощению (до 0,9%) граниты морозостойки – выдерживают 200 и более циклов замо- раживания–оттаивания. Месторождения гранитов имеются на Кольском полуострове, в Карелии, на Урале, в Сибири и Воронежской области.

Базальт – излившаяся горная порода, состоящая из полевых шпатов. Структура в зависимости от условий остывания – стекловатая или скрытокристаллическая. Средняя плотность - 2900–3300 кг/м3, предел прочности при сжатии достигает 500 МПа. Широко применяют для изготовления кислотоупорной химической аппаратуры.

Пемза – представитель вулканических горных пород. Это вулканическое стекло, которое образовалось при быстром охлаждении лавы на воздухе, сопровождающемся бурным выделением газов. Порода пористая (до 80% объема занимают поры), размер частиц - 5 – 30 мм, насыпная плотность - около 500 кг/м3. Пемза морозостойка, негигроскопична, имеет низкую теплопроводность. Добывают на Кавказе и Камчатке. Применяют для теплоизоляции, изготовления легких бетонов.

Осадочные горные породы – продукты разрушения пер-

вичных горных пород в результате выветривания. Важнейшими

35

факторами выветривания являются вода, ветер и температурные изменения. Вода, проникающая в трещины, постепенно размывает и растворяет составные части горных пород, а при замерзании разрушает их. В результате резких температурных изменений породы растрескиваются и от них отделяются куски разного размера. Выветривание проявляется не только в виде механического разрушения, но и во взаимодействии составных частей горных пород с различными веществами, находящимися в атмосфере (химическое разрушение).

Осадочные горные породы в зависимости от условий образования подразделяются на обломочные, химические осадки и органогенные.

Обломочные горные породы бывают рыхлые и сцементированные. Рыхлые разделяют следующим образом по размерам обломков: крупнообломочные – при размере кусков более 5(3) мм (гравий с окатанными зернами и крупные пески), среднеобломочные – размер кусков 5(3)-0,16 мм (пески), мелкообломочные – размеры зерен 0,1–0,01 мм (пылевые частицы) и тонкообломочные – размер зерен менее 0,01 мм (глины, лессы).

Обломочные породы, связанные между собой каким-либо веществом (глиной, кальцитом, кремнеземом и др.), называют цементированными. В зависимости от цементирующего вещества различают песчаники глинистые, мергелистые, известковые, кремнистые и др. Наиболее стойкие - кремнистые песчаники. Их применяют для устройства фундаментов, подпорных стенок, набережных, облицовки стен и т.д.

Органогенные породы образовались в результате жизнедеятельности и отмирания организмов, находящихся в морских и пресных водах. К органическим относят различные карбонатные и кремнистые породы.

Известняки состоят в основном из кальцита СаСО3. Предел прочности плотных известняков при сжатии наблюдается от 80 до 200 МПа, средняя плотность - 1700–2600 кг/м3. В зависимости от содержания СаСО3 известняки бывают чистыми (не менее 98% СаСО3) и мергелистыми (не более 90% СаСО3).

Мергели представляют собой природную тонкую механическую смесь известняка и глины в разных соотношениях. Мергели используют для изготовления цементов. При содержании СаСО3

36

не менее 75% мергели называют известняковыми, не менее 40% - просто мергелями и не менее 10% - глинистыми.

Плотный известняк применяют для облицовки стен, бутовой кладки, изготовления щебня, извести и т.д.

Пористые известняки и известняк-ракушечник легко поддаются распиловке на штучный камень для кладки стен и перегородок. Средняя плотность известняка-ракушечника - 600–1500 кг/м3, предел прочности при сжатии - 0,4–5 МПа.

Породы химического происхождения – это магнезит, до-

ломит, гипс, ангидрит и т.д.

Магнезит (MgCO3) используют для получения огнеупорных материалов и магнезиального вяжущего – каустического магнезита. Доломит (CaCО3 ·MgCO3) применяют в качестве строительного камня, щебня для бетона, получения огнеупорных материалов и вяжущего вещества – каустического доломита. Гипс и ангидрит применяют для изготовления вяжущих веществ.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы об-

разовались из первичных и вторичных горных пород под действием высокой температуры и давления. Из метаморфических горных пород в строительстве применяют гнейсы, мраморы, кварциты и глинистые сланцы.

Мраморы образовались из известняков. Состоят они из прочных сросшихся между собой кристаллов кальцита. Предел прочности при сжатии - 120–300 МПа, средняя плотность - 2600– 2800 кг/м3, водопоглощение - 0,1–0,7%, хорошо сопротивляются истирающим воздействиям. Из них изготавливают плиты для внутренней отделки помещений, плитки для полов, ступени, подоконные доски и т.д. Мраморы не рекомендуется применять для наружной отделки.

Кварциты – метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными и сросшимися зернами кварца так, что цементирующее вещество неотделимо от зерен кварца. Предел прочности при сжатии очень высок – до 400 МПа, средняя плотность - 2500–2700 кг/м3. Применяют в особо ответственных сооружениях – мостах, облицовочных работах, в качестве бутового камня, щебня и сырья для получения огнеупорных (динасовых) изделий.

37

Гнейсы образовались в результате перекристаллизации гранитов. Используют гнейсы в виде плит для облицовки каналов, набережных, кладки фундаментов, устройства тротуаров и т.д.

2.3. Классификация и виды природных каменных материалов

Как и всякий строительный материал, природные каменные материалы должны удовлетворять ряду требований. Основными показателями качества природных каменных материалов являются предел прочности при сжатии (марка материала), средняя плотность, морозостойкость и коэффициент размягчения. Кроме того, в ряде случаев определяют раскалываемость, сопротивление удару, истираемость.

В соответствии с требованиями СНиПа (Строительных норм и правил) природные каменные материалы и изделия классифицируют по следующим признакам:

по средней плотности – тяжелые (средней плотностью

свыше 1800 кг/м3) и легкие (средней плотностью менее 1800 кг/м3);

по пределу прочности при сжатии на марки 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 (кг/см2),

причем легкие каменные материалы имеют марки до 200, а тяжелые – от 100 и выше;

по морозостойкости (по количеству циклов замораживания

– оттаивания) на марки: F10, F15, F25, F35, F50, F100, F200, F300 и F500;

по коэффициенту размягчения (Кр) – материалы с коэффициентом размягчения 0,6; 0,75; 0,9 и 1,0.

по истираемости и износу.

Эти свойства природного каменного материала имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.д.

В зависимости от степени обработки различают грубообработанные каменные материалы, штучные изделия и профилированные детали.

К грубообработанным каменным материалам относят: песок – минеральные зерна размером от 5(3) до 0,16 мм (природный песок), иногда песок получают путем отсева дробленых горных

38

пород (искусственный песок); гравий – окатанные зерна размером от 5(3) до 150 мм, получаемые из рыхлых залеганий рассевом на ситах соответствующего размера; щебень – куски камня неправильной формы размером от 5(3) до 150 мм, получаемые главным образом путем дробления крупных кусков горных пород, встречается также природный щебень – дресва; бутовый камень – крупные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут) или плиты неправильной формы (постелистый бут), получаемые выламыванием.

К изделиям и профилированным деталям относят: пиленые штучные камни и блоки для стен, камни, плиты и профильные изделия с различно обработанной поверхностью для наружной и внутренней облицовки зданий и сооружений (рис. 6).

a

Рис. 6. Виды каменных материалов и изделий, используемых в строительстве:

а – бутовый камень (бут); б – изделия: 1 – стеновой камень: 2 – брусчатка; 3 – облицовочная плита; 4 – подоконная плита; 4 – ступень; 6 – стеновые каменные блоки (размеры в мм).

39

Бутовый камень чаще всего получают из местных горных пород, обычно осадочных (песчаников, известняков). В случае, если нужен прочный и стойкий камень, применяют бут из изверженных пород. Бутовый камень используют для устройства фундаментов, кладки стен холодных помещений, для отсыпки или бетонирования массивных частей гидротехнических сооружений. Бут из плотных пород должен иметь марку не ниже 150; для пористых пород минимальная марка 25 и коэффициент размягчения не ниже 0,7.

Камни и блоки для кладки стен получают обычно из пористых известняков, вулканических туфов и других горных пород со средней плотностью от 900 до 2100 кг/м3. Марки камней в зависимости от пористости горной породы могут быть от 4 до 400. Для лицевой кладки без штукатурки марки камней должны быть не ниже 25. Водопоглощение должно быть не более 30%, а коэффициент размягчения - не менее 0,6. Морозостойкость – не менее F15.

Основные размеры камней из пористых пород для кладки стен - 390х190х188 и 390х190х288 мм. Каждый такой камень заменяет 8–12 кирпичей.

Для наружной облицовки зданий и сооружений исполь-

зуют плотные и атмосферостойкие горные породы, в основном, глубинные (граниты, сиениты, габбро) или плотные известняки, мергели, реже мрамор. Кроме того, для этой цели широко используется вулканический туф.

Для внутренней облицовки зданий применяют плиты из декоративных пород средней твердости (мрамора, пористых известняков, вулканических туфов).

Для устройства покрытий полов используют полирован-

ные плиты из твердых и износостойких пород камня (гранит, сиенит, кварцит) и в случае небольшой интенсивности людских потоков в помещении – плиты из мрамора. Толщина плит для пола – не менее 20 мм.

2.3.1. Дорожные каменные материалы

Основные требования, которым должны удовлетворять дорожные материалы – износостойкость, ударопрочность, атмосферо- и морозостойкость.

40