книги из ГПНТБ / Григорович, М. Б. Минеральное сырье для промышленности строительных материалов и его оценка при геологоразведочных работах

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона при­ меняется щебень пз камня, гравия и валунов твердых плотных горных пород осадочного, метаморфического н изверженного про­ исхождения.

Сводные данные об областях применения в строительстве раз­ личных видов камня приводятся в табл. 43.

93

Области промышленного использования строительного камня определяются рядом его свойств, в топ или иной мере взаимосвя­ занных и зависящих от условий образования, минералогического состава и структуры горной породы. По практической значимости эти свойства могут быть подразделены на основные и дополни­ тельные.

К числу основных свойств относятся: прочность (сопротивление механическим нагрузкам); пористость; плотность; объемная масса; водопоглощение; наличие реакционно-способных минералов.

Дополнительными свойствами являются: погодостойкость (в том числе морозостойкость), тепло-звукопроводимость и возду­ хопроницаемость, декоративность (цвет, рисунок), стойкость окраски, обрабатываемость (в том числе полируемость), упругость, кислотостойкость, щелочестойкость, жаростойкость, вязкость, огне­ стойкость.

Важнейшим свойством горной породы, применяемой в качестве строительного камня, является ее прочность, т. е. способность камня противостоять механическим воздействиям. Прочность камня — показатель, который имеет существенное значение для всех областей его применения, так как в большинстве случаев камень несет ту пли иную нагрузку.

Значительное влияние на физико-механические свойства, а также на климатическую стойкость породы оказывают ее струк­ тура и текстура. Породы, обладающие однородно-кристалличе­ ским строением, имеют наибольшую прочность на сжатие, незна­ чительную пористость, слабо насыщаются водой и стойки по отно­ шению к агентам выветривания. При афанитовой структуре свойства пород близки к однородно-кристаллическим. Но при преобладании в породе стекла прочность ее снижается, и она легче подвергается воздействию температурных изменений.

Породы, сложенные гладкими зернами, обладают меньшей прочностью по сравнению с содержащими зерна неправильной, зазубренной формы. Мелкозернистые породы обладают более вы­ сокой прочностью, чем крупнозернистые. Гнейсовидная, полосча­ тая и флюидальная текстуры изверженных и метаморфических пород также вызывают снижение прочности. При наличии в по­ роде мелких пустот, расположенных параллельно полосчатости, прочность ее также снижается, так как это способствует проник­ новению воды по слоям. Существенное влияние на прочность пород оказывает и пористость. Как общее правило, все показатели фи­ зико-механических свойств горной породы (за исключением тепло­ проводности) с увеличением пористости снижаются. Наиболее вы­ сокой пористостью обладают осадочные породы. Магматические породы обычно являются низкопористыми, за исключением сильно выветрелых и вулканических туфов. Пористость зернистой породы зависит от формы и размеров зерен минералов, слагающих породу, от степени их отсортированное™, сцементированное™ и уплотнен­ ности. При одинаковом размере зерен наименьшей пористостью

94

обладают осадочные породы с окатанными зернами, наибольшей — с угловатыми и плоскими.

Пористость оказывает большое влияние на свойства пород, так как она в значительной мере обусловливает их влагоемкость, водо- и газонепроницаемость и прочность. Повышение прочности при уменьшении пористости объясняется тем, что увеличивается пло­ щадь контакта между зернами, слагающими породу. Прочность известняков возрастает с 50 до 1800 кгс/см2 при уменьшении по-, ристости с 40 до 2%.

Одним из главных свойств строительного камня является объ­ емная масса, имеющая существенное значение при выборе вида камня для того или иного сооружения. Объемная масса является функцией минералогической плотности породы и ее пористости. Объемная масса магматических и метаморфических горных пород значительно колеблется, причем намечается довольно четкая зави­ симость ее изменения от основности пород. Так, средняя объемная масса гранита составляет 2570 кг/м3, диорита 2810 кг/м3, габбро 2950 кг/м3, перидотита 3270 кг/м3. Для метаморфических пород ам­ фиболитовой фации средняя объемная масса биотитового гнейса равна 2660 кг/м3; гранито-биотитового гнейса 2800 кг/м3 и амфи­ болита 3000 кг/м3. Таким образом, с увеличением -основности гор­ ных пород возрастает их объемная масса. Объемная масса горной породы влияет на ее способность принимать полировку, так как чем она выше, тем лучше порода полируется.

Некоторые из минералов, входящих в состав горных пород,

в результате которых возникают новые соединения, отрицательно влияющие на внешний вид и сохранность камня, а также той среды, в которой он заключен. Наиболее неустойчивы сульфиды (пирит и марказит), окисление и гидратация которых происходят с образованием серной кислоты и гидроокислов железа. Особенно отрицательно сказывается окисление сульфидов на отполирован­ ной поверхности облицовочного камня. Сульфиды, присутствую­ щие в щебне — заполнителе бетона, постепенно ■окисляются и гидратизируются, что сопровождается увеличением объема и приводит к постепенному уменьшению прочности бетона. Эти процессы особенно интенсивно протекают в теплой и влажной среде.

При наличии в заполнителях бетона сульфатов возникают об­ менные реакции, приводящие к переходу алюминатов и силикатов цементного теста в сульфоалюминаты кальция и другие неустой­ чивые соединения. На прочность бетона может отрицательно вли­ ять присутствие в заполнителе активного кремнезема в виде опала или криптокристаллических образований.

При нормальном течении процесса твердения бетона между Са(ОН)2 цемента и активным кремнеземом заполнителя происхо­ дит реакция образования гидросиликатов кальция. Присутствие

95

в цементе щелочей изменяет характер реакции, замедляя процесс кристаллизации гидросиликатов кальция. Кроме того, протекает активная реакция между щелочами цемента и кремнекислотой, что приводит к образованию щелочных силикагелей, которые в дальнейшем осмотически адсорбируют воду из цементного теста и окружающей среды и развивают гидростатические давления, на­ рушающие прочность бетона (Блэнкс, Кеннеди, 1956).

При применении камней в сооружениях, подвергающихся воз­ действию климатических изменений, существенное значение имеет погодостойкость. Процесс разрушения горной породы может.про­ исходить как физическим, так и химическим путем. При физиче­ ском выветривании горной породы преобладающее значение имеет действие замерзающей воды. Как указывал Б. В. Залесский (1958), степень морозостойкости горной породы условно принима­ ется за критерий оценки ее долговечности.

Основными факторами,' определяющими морозостойкость по­ роды, являются пористость п ее характер, а также наличие трещи­ новатости.

Теплопроводность имеет значение для стенового камня и зави­ сит в основном от степени и характера, пористости породы. Стено­ вые известняки обладают теплопроводностью 0,4—0,7 ккал/м*чХ Х°С, вулканические породы 0,3—0,5 ккал/м-ч-°С.

Декоративность горной породы важна для облицовочного камня всех назначений. К декоративным свойствам облицовочного камня относятся его цвет и рисунок.

В качестве облицовочных применяют камни светлых тонов: ро­ зовые, красные и серые граниты, сиениты, гранодпориты, белые и цветные мраморы, базальты.

Темноокрашенные породы, такие, как диориты и габбро, атакже черные мраморы применяются реже и в основном в сооружениях, имеющих мемориальное значение (габбро, черные мраморы), или для изготовления деталей, для которых декоративные качества не имеют значения (ступени, дорожные камни).

Цвет горной породы определяется главным образом цветом слагающих ее минералов. Среди кислых интрузивных пород наибо­ лее распространены красные, розовые и серые окраски, зависящие от цвета преобладающего полевого шпата.

Большое значение для определения декоративных свойств камня имеет стойкость его окраски, которая может очень значи­ тельно варьировать. Как правило изверженные породы обладают достаточно стойкой окраской, медленно поддающейся изменениям под влиянием процессов выветривания. Менее стойкой является окраска осадочных и метаморфических пород, иногда сравнительно быстро исчезающая на открытом воздухе.

Важен для декоративности и рисунок породы, определяемый - расположением минералов, а также различными включениями. В некоторых гранитогнейсах наблюдается чередование причудливо расположенных темноокрашенных полос с более светлыми (из-за

96

присутствия чешуек биотита), что значительно повышает декора­ тивность камня.

Для облицовочных камней имеет значение способность обраба­ тываться. Как правило, горные породы, обладающие высокой стой­ костью, труднее обрабатываются. Например, наиболее стойкими к воздействию процессов выветривания являются кварциты, кото­ рые труднее всего обрабатывать.

Вязкость — способность слагающих камень минералов сопро­ тивляться отделению одного от другого, а для отдельного мине­ рала— сопротивление распадению на части под внешними воздей­ ствиями. Вязкость зависит от минералогического состава породы и ее структуры. .

Из породообразующих минералов наиболее вязкими являются пироксены и амфиболы, особенно при наличии благоприятной структуры (офитовая, диабазовая).

Тепло- и звукопроводимость и воздухонепроницаемость имеют большое значение при использовании камня в качестве стенового материала. Все эти свойства зависят от пористости породы, при­ чем величина теплопроводности прямо пропорциональна звуко­ проводности и обратно пропорциональна воздухопроницаемости. Строительная промышленность применяет различные виды природ­ ного камня, как самые крепкие и прочные (кварцит, гранит), так и слабые мягкие (гипс, опока).

ИЗВЕРЖЕННЫЕ ПОРОДЫ

Интрузивные породы

Гр а н и т ы . Минеральный состав их характеризуется наличием довольно ограниченного числа составляющих — кварц, щелочной полевой шпат (ортоклаз, микроклин, анортоклаз), кислый плагио­ клаз (альбит, олигоклаз), биотит, мусковит, иногда роговая об­ манка (или пироксен). При преобладании плагиоклаза порода пере­ ходит в гранодиорит или кварцевый диорит. Уменьшение количе­ ства кварца при сохранении щелочного полевого шпата образует сиенит. Акцессорными в граните являются следующие минералы: гранат, апатит, турмалин, магнетит, циркон, сфен, пирит, эпидот.

Наиболее распространенной структурой гранита является рав­ номерно-зернистая (гранитная), что обусловливает однородное строение породы. Полевые шпаты обычно образуют более или ме­ нее идиоморфные зерна, кварц развит в виде зерен или заполне­ ний промежутков между другими минералами. В гранитах наблю­ дается иногда порфировидное строение за счет развития крупных кристаллов полевого шпата.

Гнейсовидное строение гранит приобретает при значительном росте одинаково ориентированных кристаллов. По размерам зерен полевого шпата выделяют граниты: мелкозернистые 1—2 мм; до-

вольно мелкозернистые 1—5 мм; среднезернистые 2—10 мм, круп­ нозернистые 3—15 мм, очень крупнозернистые до 30 мм.

Основной цветовой фон гранита обусловлен окраской преобла­ дающего полевого шпата — розовый, желтый, красный, зеленый, серый. На цвет гранита может оказывать существенное влияние присутствие в породе темноцветных минералов (биотит, авгит, ро­ говая обманка). Кварц в гранитах обычно прозрачен, но наблюда­ ется и окрашенный в белые, желтые и фиолетовые тона.

Граниты относятся к числу наиболее прочных и стойких строи­ тельных камней, обладающих высокими физико-механическими показателями. Данные о физико-механических свойствах гранитов

98

ристость увеличивается до 5—9% и соответственно увеличивается

и водопоглощение.

Граниты, обладая высокими физико-механическими показате­ лями и декоративностью, находят широкое применение для обли­ цовки зданий и сооружений. Из гранита изготовляются детали и конструкции, которые подвергаются ударным и истирающим на­ грузкам: полы, ледорезы. Граниты, имеющие красивую расцветку, обычно полируют, чтобы наиболее полно выявить их цвет и рису­ нок. Значительное количество щебня как прочного заполнителя бетонов и для дорожных работ производится из гранита.

Ди о р и т ы . Это глубинные зернистые породы, состоящие глав­ ным образом (до 75%) из среднего плагиоклаза и темного мине­ рала— амфибола, пироксена или биотита. Кроме того, в состав диорита входят кварц, небольшое количество калиевого полевого шпата, апатит и другие минералы. Окраска диоритов серая или зе­ леновато-серая, при преобладании темных минералов переходит в почти черную.

Структура диоритов зернистая, гранитная, иногда порфировид­ ная. Прочность на сжатие диоритов примерно та же, что и у гра­ нитов, и достигает 3030 кгс/см2, пористость 1%, объемная масса 2700—2800 кг/м3, водопоглощение 0,2—0,3%. Диориты плохо поли­ руются и им обычно придают рельефную фактуру. Используют их для изготовления ступеней и покрытия полов, так как диориты обладают низкой степенью истирания. Применяют диориты и для производства щебня.

Г а б б р о - н о р и т ы . Кристаллические глубинные породы, со­ стоящие главным образом из основного плагиоклаза и темных минералов (пироксен, оливин, реже роговая обманка). Присутст­ вуют апатит, магнетит, титанистый железняк. Породы этой группы характеризуются высокими физико-механическими показателями, погодоустойчивостью и хорошими декоративными качествами. Объемная масса их колеблется в пределах 3670—3000 кг/м3, порис­ тость 0,12—0,22% и выше, водопоглощение 0,17—0,30%. Времен­ ное сопротивление сжатию обычно составляет 3000 кгс/см2. Струк­ тура как гранитная, так и офитовая с идиоморфным плагиоклазом. Полевые шпаты обычно имеют удлиненную форму, размеры крис­ таллов — от 3—5 до 10—12 мм и больше.

Лабрадорит относится к группе габбро-норитовых пород и ха­ рактеризуется преобладанием кристаллов лабрадора, иногда даю­ щего голубую, синюю, реже золотистую ирризацию. Известны как темные, так и светлые лабрадориты. Чем больше ирризирующих кристаллов в лабрадорите, тем выше его декоративные свойства. Иногда количество таких кристаллов достигает нескольких тысяч на 1 м2. Объемная масса лабрадоритов колеблется от 2680 до

2880 кг/м3. Прочность на сжатие 1800—2600 кгс/см2, пористость 0,2—0,5%, водопоглощение 0,15—0,17%. Декоративные качества лабрадоритов наиболее полно выступают при полировке, и они являются высокоценным облицовочным камнем.

С и е н и ты и щ е л о ч н ы е с и е н и т ы — интрузивные полнокристаллические породы, состоящие существенно из щелочных по­ левых шпатов и одного или нескольких цветных минералов. Осо­ бенно характерен амфибол, присутствует плагиоклаз (олпгоклаз, андезит), кварц отсутствует или имеется в небольшом количестве. Объемная масса сиенитов колеблется от 2680 до 2900 кг/м3, проч­ ность 1000—2000 кгс/см2. Наиболее высокие декоративные свой­ ства имеют некоторые щелочные сиениты (хибиниты Кольского полуострова).

Те ше н ит представляет собой анальцимсодержащую полнокристаллическую, гипабиссальную, меланократовую щелочную по­ роду. Состоит из пироксена и амфибола и содержит в значитель­ ных количествах плагиоклаз и анальцим. Обладает достаточно высокими физико-механическими показателями, близкими к диори­ там, но мало декоративен (зерна темноцветных минералов на светло-сером фоне.) Используется для выработки ступеней и дру­ гих изделий.

ЭФФУЗИВНЫЕ ПОРОДЫ

Породы этой группы в качестве облицовочного камня находят меньшее применение по сравнению с интрузивными, так как обла­ дают менее высокими декоративными качествами, они характери­ зуются, как правило, более темной и однообразной окраской. Исключение составляют вулканические туфы, которые применя­ ются чаще как стеновой камень, и некоторые порфиры и порфириты. Из излившихся пород как облицовочные камни применяют базальты, андезиты, порфиры и вулканические туфы.

Базальты обычно обладают мелкозернистой, иногда средне- и крупнозернистой структурой и состоят из основного плагиоклаза и авгита. Часто присутствуют оливин, магнетит, титанистый желез­ няк и другие минералы. Базальты обычно имеют серую до чер­ ной окраску. Объемная масса базальтов 2600—5300 кг/м3, сопротив­ ление при сжатии иногда достигает очень высоких значений (5000 кгс/см2). Твердость базальтов высокая, полпруемость хоро­ шая, но обработке они поддаются с трудом. Используются для мощения мостовых, закрепления откосов, тумб, в качестве обли­ цовочного камня, а также для получения щебня. Диабазы приме­ няются в тех же областях строительства, что и базальты.

В у л к а н и ч е с к и е т у ф ы относятся к особой группе вулканокластических образований. Вулканическим туфом называют гор­ ную породу, образовавшуюся путем цементации гидрохимическими процессами или путем уплотнения рыхлого вулканического мате­ риала, независимо от крупности обломков и условий их накопле-

100

пня. В зависимости от характера обломочного материала разли­

стекла. Эта последняя разновидность туфа и находит наиболее широкое применение в качестве строительного камня.

Степень цементации, а также процент п характер пористости туфов главным образом и определяют их физико-механические свойства (табл. 45). Содержание в туфе включении обломков по­ роды и минералов увеличивает его объемную массу и отрица­

тельно влияет на прочность.

Т а б л и ц а 45

Физико-механические свойства вулканических туфов Армении

(по Ацагорцяну, 1966)

Высокодекоративнымн качествами обладают молодые вулкани­ ческие туфы Армении, среди которых известны светло-желтые, кирпично-красные, розовые рисунчатые и другие разности. Благо­ даря легкости обработки, высокой пористости и красивом рас­ цветке вулканические туфы Закавказья (главным образом Арме­ нии) являются прекрасным стеновым и в то же время облицовоч­ ным материалом. Применяются туфы и в качестве заполнителей легких бетонов.

ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ

Карбонатные породы

Из осадочных пород в строительстве находят применение из­ вестняки, доломиты, песчаники, а также (редко) гипсы и другие

породы.

И з в е с т н я к — порода, по химическому составу содержащая не менее 50% углекислого кальция в виде кальцита и реже ара­ гонита. Кроме того, в большем или меньшем количестве присутст­ вуют тонкодисперсные примеси алюмосиликатов (нерастворимым остаток). В известняке также часто содержатся кварц, халцедон,

101

окислы железа и карбонат кальция—магния (в виде минерала до­ ломита) .

В качестве облицовочных наиболее пригодны криптогенные плотные перекристаллизованные известняки (мраморизованные). Такого рода породы являются продуктом перекристаллизации из­ вестняков в процессе диагенеза или эпигенеза. Часто они обладают высокой декоративностью.

Д о л о м и т — порода, состоящая в значительной части из ми­ нерала доломита Са, M g(C03)2, в котором на долю MgCC>3 при­ ходится 45,8%. В доломитовых породах обычно имеется примесь кальцита. Иногда в больших количествах присутствуют гипс и ан­ гидрит в виде мелкорассеянной примеси.

Физико-механические показатели некоторых известняков, до­ ломитов п мраморпзованных известняков приведены в табл. 46.

Т а б л и ц а 46

Физико-механические свойства известняков и доломитов

пласт 21

Водопоглощение карбонатных пород колеблется от долей про­ цента у плотных мраморпзованных известняков до 15—20% и бо­ лее — у пористых.

Данные о физико-механических свойствах известняков-раку­ шечников приведены в табл. 47.

102