STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

среди них имеются наиболее ценные мономинеральные: каолинитовые и монтмориллонитовые разновидности. Главным фактором при применении глин в строительстве и производстве строительных материалов является их минеральный состав. Полиминеральные глины — сырье для производства кирпично-черепичных изделий, грубой керамики, глинозема, огнеупоров и т. д.

Каолинитовые глины сложены в основном каолинитом и сравнительно свободны от примесей оксидов железа. Они представляют собой белые тонкозернистые, жирные на ощупь малопластичные породы, являющиеся продуктами разложения (гидролиза) алюмосиликатов диссоциированной водой, содержащей свободные ионы водорода и растворенную CO2. Процесс каолинизации полевых шпатов схематически представляется в следующем виде:

2K[AlSi3O8 ]+ 2H2 0 + CO2 = Al2 [Si2O5 ][OH]4 + 4SiO2 + K 2CO3.

Каолинитовые глины относятся к континентальным отложениям и образуются в условиях кислой среды. Они используются в производстве фарфорофаянсовых изделий, цемента, шамота. Месторождения каолинитовых глин находятся на Урале, Украине, в Сибири и др. Монтмориллонитовые глины появляются при разложении вулканических пеплов в щелочной среде. Среди них выделяются сильно набухающие в воде натровые глины с преобладанием катиона Na над катионами Ca, Mg и K и неразбухающие кальциевые — с преобладанием Ca над катионами Na и Mg. К первым относятся бентониты и флоридины, породы белой, серовато-белой, розоватой и другой окраски, характерная особенность которых - сильное набухание при увлажнении с увеличением объема примерно в 16 раз и более и высокая адсорбционная способность. Большинство этих глин обладает резко выраженной пластичностью при затворении водой, сохраняя при высыхании приданную им форму, а после обжига образуют камневидные массы. С увеличением в глинах меха- нических примесей пластичность их быстро снижается. Монтмориллонитовые глины являются замечательными адсорбентами, так как обладают высокой поглотительной способностью. Их месторождения имеются в Крыму, Приднепровье, Закарпатье, Средней Азии, Грузии.

Сцементированные обломочные породы образовались путем цементации рыхлых пород разнообразными химическими веществами. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент (вторичный кварц, опал, халцедон), менее прочны железистый (лимонит), карбонатный (кальцит) цементы, малой цементирующей способностью отличается глинистый цемент. Ниже приводится описание главных представителей этой группы.

Брекчии — компактные породы, состоящие из угловатых обломков дресвы или щебня, сцементированных каким-либо цементом. Петрографический состав этих обломков отличается однородностью. Угловатая форма обломков обеспечивает хорошее сцепление их с природными цементами, поэтому брекчии, при некоторых видах цементов, имеют достаточно высокую прочность и используются как отделочные камни. Брекчии имеют ограниченное распространение.

Конгломераты — сцементированные природным цементом скопления гальки, гравия, мелких валунов и др., отличающиеся от брекчии пестротой петрографического состава, широким диапазоном прочности (от 5 до 160 МПа) и изменением средней плотности в интервале 1500—2900 кг/м3. По сравнению с брекчиями конгломераты отличаются меньшей прочностью, так как окатанный обломочный материал довольно слабо связывается с цементом. Практическое значение этих пород невелико, однако их характерная структура (вяжущее + рыхлый материал) является прототипом самой распространенной структуры ИСК. Слабо сцементированные их разновидности используют для получения балласта, а красивые — как отделочные, декоративные камни. Мощные отложения конгломератов известны в Крыму и Средней Азии.

191

Песчаники образуются путем цементации зерен песка при просачивании через них разнообразных минеральных растворов. В зависимости от разновидности цементов различают кремнистые, известковые, железистые, гипсовые, глинистые, битуминозные и другие виды песчаников. Их прочность определяется видом природного цемента, характером его сцепления с зернами песка, плотностью породы. Она колеблется в пределах от 1 до 150 МПа и выше а средняя плотность — от 1900 до 2800 кг/м3. Наиболее прочными (100—150 МПа и более) являются кремнистые песчаники со средней плотностью до 2800 кг/м3. Малой прочностью отличаются глинистые песчаники, легко разрушающиеся при насыщении водой или циклическом замораживании и оттаивании; известковые песчаники неводостойкие. В битуминозных песчаниках битум, пропитываю- щий толщи пород, составляет до 20% их массы. Окраска песчаников зависит от цемента: кремнистые и известковые имеют белые и светлые тона, железистые — желтые и красноватые и т. д. Их применяют для получения стенового камня, бута, щебня, а также декоративного отделочного материала. Разновидности песчаников, содержащие не менее 97% кремнезема, идут на изготовление кислотоупорных материалов и сырья, для получения огнеупоров, абразивов и др., используются в сооружениях. Широко распространены в Карелии, на Украине, в Поволжье и др.

Породы химического происхождения (хемогенные) образовались в результате выпадения из истинных и коллоидных водных растворов различных веществ. Важное значение имеют слаборастворимые и подвижные соединения карбонатов Ca и Mg, а также лег- корастворимые сернокислые и галоидные соединения — гипсы и ангидриты, осаждающиеся при испарении пересыщенных растворов в замкнутых морских бассейнах или озерах, к которым относятся отложения плотных и оолитовых известняков и известковых туфов, магнезита. Важным структурным признаком этих пород являются форма и размеры зерен с характерным для них появлением оолитов — скорлуповатых зерен округлой или эллипсоидальной формы размером от 1 до 5 мм и сферолитов — кристаллических агрегатов игольчатого строения, а также зернистых структур. Текстуры химических пород аналогичны обломочным. Окраска их разнообразна и зависит от примесей. Ниже приводится описание пород этой группы.

К карбонатным породам относятся микрозернистые (афанитовые) известняки, а также мономинеральные породы, сложенные кальцитом, с зернистой или кристаллической структурой, пористой или кавернозной текстурой; в зависимости от текстуры средняя плотность известняков изменяется в пределах 2600—2000 кг/м3, снижаясь до 1000 кг/м3 у сильнопористых и кавернозных разновидностей. Пористость прочно сцементированных известняков не превышает десятых долей процента, а у слабосцементированных - достигает 15—20% и выше. Окраска их разнообразна: белая, серая, желтоватая — до черной в зависимости от примесей. Месторождения хемогенных известняков известны в европейской части нашей страны, в Крыму, на Кавказе и др. Используют их в строитель- стве.

Оолитовые известняки сложены оолитами кальцита, равномерно погруженными в цементирующую массу углекислого кальция или, реже, глины и плотно соприкасающимися между собой. Они — пористые, малоустойчивые к выветриванию и недостаточно морозостойкие породы. Прочность наиболее плотных их разновидностей мала и составляет всего 16—20 МПа. Применяют их для изготовления воздушной и гидравлической извести, цемента и др. Широко распространены в Крыму, Молдавии, на Урале, Кавказе и др.

Известковые туфы — высокопористые, ноздреватые породы, сложенные кальцитом, выпадающим из холодных и горячих углекислых источников при выходе их на поверхность земли. Они отличаются легкостью, небольшой средней плотностью (до 1650 кг/м3) и малой прочностью, обычно около 10 МПа, хотя у плотных разновидностей (травертине), образовавшихся из горячих источников, она может достигать 80 МПа. Из известковых туфов получают известь, применяют их в производстве цемента, а также в

192

качестве стенового, декоративного материала (травертино) и в строительстве. Их месторождения известны в районе Санкт-Петербурга, Крыму, на Кавказе (Пятигорск). Магнезиты — светлоокрашенные породы, состоящие из минерала магнезита. Прочность и плотность их выше, чем у известняков, но в природе они встречаются реже. Магнезиты являются сырьем для производства огнеупорных изделий, а скрытокристаллические разновидности — плотностью 2,9—3,0 г/см3 — для изготовления минеральных вяжущих (каустического магнезита) и изделий на их основе. Наша страна богата крупными месторождениями высококачественного магнезита, главнейшие из которых находятся на Южном Урале, Дальнем Востоке и др.

Сульфатные породы. Главными представителями их являются гипс и ангидрит — мономинеральные породы зернисто-кристаллической структуры, сложенные минералами одноименного названия с возможными небольшими примесями глины, песка, органических веществ и др. Гипсы имеют светлую (белую, желтую, серую до темной) окраску, в зависимости от примесей характеризуются пределом прочности при сжатии около 80 МПа и средней плотностью 2200 кг/м3.

Ангидриты — более плотные породы с пределом прочности | при сжатии 60—80 МПа и средней плотностью от 2800 до 2900 кг/м3. Гипс и ангидрит служат сырьем для производства вяжущих, а на их основе — гипсобетонных изделий; применяются как стеновой материал, а также для внутренней отделки зданий. Месторождения их известны в европейской части нашей страны на Средней Волге, в Башкирии, на Урале, в Средней Азии, на Украине, в Донбассе, на Кавказе и др.

Породы органогенного происхождения образовались при непосредственном или косвенном участии организмов, способных извлекать из растворов или морских вод необходимые для их жизнедеятельности соединения и концентрировать их в твердых частях тела. Для этих пород характерны цельнораковинные (биоморфные) и органогенно- детритовые структуры, состоящие из обломков раковин. Из этой группы рассматриваются породы кремнистого (силициты) и карбонатного составов.

Кремнистые породы сложены опалом, минералами группы халцедона и осадочным кварцем. Они образуются в холодных морях, реже в озерных водоемах при непосредственном участии диатомовых водорослей, радиолярий, губок и других организмов, концентрирующих в своих скелетах опал. Среди них выделяют пластовые породы и конкреционные, сложенные кремнистыми желваками (конкрециями), которые встречаются реже первых и часто рассеяны в других породах — известняках, глинах. Главными представителями пластовых пород являются диатомиты, трепелы, опоки и яшмы, образующие отложения большой мощности.

Диатомиты — белые или желтоватые рыхлые породы, состоящие из мельчайших слабосцементированных кремнистых скорлупок — диатомей. Макроскопически они похожи на мел, от которого отличаются отсутствием реакции вскипания с HCl и повышенной гидрофильностью. Диатомиты легкие (средняя плотность 400—950 кг/м3), не тонущие в воде с высокой (до 90—92%) пористостью породы.

Трепелы — светлоокрашенные рыхлые, легкие и пористые опаловые породы, внешне неотличимые от диатомитов, одинакового с ними химического и минерального состава и несколько большей средней плотностью (500—1300 кг/м3). По физико-химическим свойствам они близки между собой: высокопористы, огнеупорны и кислотоупорны, плохо проводят звук и теплоту, отличаются большим водопоглощенйем, используются как адсорбенты, изоляционные, фильтрующие, шлифующие строительные материалы. Крупные месторождения диатомитов и трепелов имеются в европейской части нашей страны, Поволжье, а также в Грузии, на Украине.

Опоки представляют собой сцементированные кремнистым веществом трепелы или диатомиты. Состоят они из опалового кремнезема, количество которого варьируется за счет непостоянного содержания в их составе примесной глины. Опоки — крепкие и очень легкие, сильнопористые породы палевого, светло-желтого, серого всех оттенков до

193

черного цвета. Некоторые их разновидности внешне сходны с трепелами и диатомитами (мягкие опоки), другие же являются камнеподобными, твердыми и плотными породами. Средняя плотность опок колеблется от 1200 до 1500 кг/м3 и находится в соответствии с их высокой пористостью (до 30—40%). Они имеют низкий предел прочности при сжатии — до 1—3 МПа, и, как правило, не морозостойкие. Применяются в качестве стенового ма- териала, заполнителей в легких бетонах, дорожного материала, сырья для получения белых вяжущих веществ и различных добавок. Крупные месторождения опок находятся в районах Средней и Нижней Волги, на Урале.

Яшмы сложены микрозернистым (скрытокристаллическим) халцедоном SiO2 и отличаются полосчатой темно-красной, желтовато-зеленоватой или черной окраской. Являются очень твердыми, крепкими, однородными тонкозернистыми породами и используются в качестве прочного декоративного и поделочного материала. Они широко распространены на Урале, Тянь-Шане и других древних складчатых областях.

Кремни (конкреционные силициты) встречаются в разнообразных вмещающих породах в виде пластов, линз, желваков и состоят из опала и халцедона, иногда с примесью кварца. Наиболее распространены однородные, очень твердые микрозернистые, часто полосчатые, серого, красноватого, черного цвета кремни. Они используются исключительно как абразивный материал.

Карбонатные породы органического генезиса сложены преимущественно кальцитом с примесями кремнезема, глинистых и песчаных частиц, оксидов железа и др. Широко распространены органогенные известняки, образованные путем накопления продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов на дне мелководных теплых морей: ракушечники, коралловые известняки, мел. Органогенные известняки залегают пластами значительной мощности в несколько десятков метров. Главными их структурами являются цельнораковинная (биоморфная), органогенно-детритовая, образованная угловатыми обломками раковин, вторичная, появившаяся при изменении зерен вторичными процессами, а также смешанная. По текстурному признаку выделяются плотные, мелко- и крупнопористые, а также кавернозные разновидности. В связи с различной пористостью средняя плотность известняков колеблется от 1200 до 3100 кг/см3. Значительные изменения физико-механических свойств вызываются не только их пористостью, но и содержанием глинистых примесей: предел прочности при сжатии колеблется от 10 до 200 МПа, водо- и морозоустойчивость также сильно снижаются. При содержании глины до 2% известняки считаются чистыми. Их применяют в строительстве

ипромышленности строительных материалов как бутовый камень, щебень, стеновые блоки, сырье для получения вяжущих веществ, огнеупоров и т: д. Распространены ор- ганогенные известняки повсеместно: мощные отложения их известны в Сибири, на Урале, в Средней Азии, Ленинградской области, а также в Приднепровье, Крыму, на северо- западе европейской части нашей страны, на Кавказе. Разновидностями органогенных, известняков являются ракушечники, мел. Ракушечники — пористые породы со средней плотностью 1000—1700 кг/м3, невысокой прочностью (от 10 до 60 МПа) и большим (до 30%) водопоглощением. Мел — микрозернистая, слабосцементированная мягкая порода, сложенная мельчайшими частицами скелетов карбонатных водорослей и одноклеточных животных — фораминифер. Вследствие малой прочности мел очень выгодно использовать в цементной промышленности, для получения чистой белой извести, в производстве стекла, углекислоты, как активный наполнитель пластмасс, резиновых изделий и т. д. Месторождения мела имеются в Среднем Поволжье, Курской, Воро- нежской, Белгородской областях, на Украине и др.

Среди осадочных пород органогенного происхождения значительное место занимают каустобиолиты — горючие полезные ископаемые: каменный уголь, жидкая нефть, горючие газы, торф и др. Все они являются продуктами жизнедеятельности организмов (главным образом растений), создающих совершенно новое вещество из газов атмосферы

иводы за счет энергии Солнца (фотосинтеза, см. 7.2). Для образования этого нового

194

вещества служат либо органическое вещество растений — древесины, корней, листьев, плодов, клеточной ткани, споры, кожицы (кутикулы) высших растений и их смолистых выделений, либо продукты их разрушения, либо органическое вещество простейших животных. Изменение таких органических веществ с превращением в ископаемую горючую породу происходит в условиях свободного доступа кислорода, вследствие чего протекают не только процессы окисления (горения), но и переход этого органического вещества в газ (истлевание). В условиях когда отсутствует свободный доступ кислорода и не имеется, следовательно, горения, например процессы протекают под толстым слоем застойной воды, органическое вещество (водоросли, мелкие животные) накапливается и медленно разлагается или гниет. Происходит восстановление и обогащение водородом с переходом вещества в битум или сапропель (гнилой ил), а в последующий период времени — формирование углей, горючих сланцев и нефти. Из ископаемых сапропелитов наиболее распространены горючие сланцы — темные, тонкослоистые плиточные породы, легко загорающиеся, с резким запахом жженной резины. Они состоят из 50—60% и более горючего вещества (остатков водорослей и однородной разложившейся массы). Остальная часть горючих сланцев — неорганическая, преимущественно кремнеземистая или карбонатная. В отличие от других пород, именуемых сланцами (глинистыми, слюдистыми и др.) и относящихся к горным породам метаморфического происхождения, горючие сланцы не являются следствием метаморфизма пород и, как отмечалось выше, имеют тонкослоистую и плиточную текстуры, т. е. название «сланцы» условное, по некоторому отдаленному сходству с ними.

Горючие сланцы не используют как топливо вследствие большой их зольности. Они подвергаются перегонке на газ с получением побочного продукта в виде сланцевого дегтя, используемого в строительстве.

Органические остатки (в основном растении) в болотах или в других непроточных водоемах (озерах) постепенно превращаются в торф, что является первой стадией углеобразования; торф в дальнейшем переходит в бурый, а затем и в каменный уголь. Содержание свободного углерода постепенно увеличивается с уменьшением количества других элементов (кислорода, водорода, азота и др.), Наиболее богат углеродом антрацит. Богатейшие залежи бурых и каменных углей встречаются среди толщ осадочных пород всех геологических систем, начиная с девонской. Для строительных целей используются побочные продукты -дегти и смолы при коксовании и газификации каменных и бурых уг- лей.

К группе осадочных пород относятся также некоторые горные породы, пропитывающиеся в природных условиях битумом или нефтью, именуемые как асфальтовые или битумные породы — известняки, песчаники, мергали и др. Они служат для получения природного битума и порошкообразного материала (асфальтового порошка).

Смешанные породы представляют собой смеси карбонатных и глинистых пород, к которым относятся доломиты и мергели. Доломитами называют породы, состоящие преимущественно из минерала, одноименного с породой, т. е. доломита, в котором со- держится до 46% магнезита. Макроскопически они похожи на известняки и опознаются по реакции «вскипания» с HCl (но только подогретой). Окрашены в белый, серый, желтый цвета. При выветривании доломиты покрываются рыхлым желтовато-серым налетом (доломитовой мукой). В природе имеются залежи и доломитовой муки, например, на Верхней Волге, во Владимирской области. Для доломитов характерны сахаровидные, зернистые, плотные структуры и разнообразные, от плотной до пористой (кавернозной) и, часто, трещиноватые текстуры. Камневидные доломиты характеризуются средней плотностью от 2700 до 2900 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 60—150 МПа, которые изменяются в более узких пределах, чем у известняков. Они более твердые и плотные породы, но при нагревании диссоциируют раньше известняков. Доломиты применяют наравне с известняками как строительный камень (плиты, бут, щебень) и сырье для производства вяжущих веществ (каустический доломит, доломитовая известь),

195

а также при получении огнеупоров и теплоизоляционных материалов, стекла и т. п. Месторождения доломитов известны в Московской области, Поволжье, на Урале, Северном Кавказе, в Крыму и др.

Мергели содержат от 25 до 75% CaCO3 и являются переходными между карбонатными и глинистыми породами. При содержании 25—50% глины в составе известняков образуются собственно мергели, которые с повышением содержания глины до 50—75% переходят в глинистые мергели, а при последующем ее увеличении превращаются в известковистые глины. В составе мергелей вместо кальцита могут находиться доломит и кремнезем, образуя, соответственно доломитовые и кремнеземистые мергели. Мергели — тонкозернистые, однородные по структуре, желтые, серые, темно-серые, неустойчивые к химическому выветриванию породы с физико-химическими свойствами, зависящими от содержания глины. Средняя плотность их составляет 1900—2500 кг/м3, а предел прочности при сжатии — 60 МПа. Они быстро диагностируются с помощью HCl — бурно вскипают с образованием на поверхности породы грязного пятна, чего не наблюдается при аналогичной реакции у известняков. Мергели являются лучшим сырьем для производства цементов, и на их базе работают крупнейшие комбинаты (Новороссийск, Амвросиевка и др.). Их месторождения широко распространены в пределах Русской равнины, на Украине. Особенно ценными являются мергели черноморского побережья Кавказа, залегающие мощными пластами между Новороссийском и Геленджиком.

Аллитовые (алюминиевые) породы состоят преимущественно из гидроксидов Al, часто с большим содержанием оксидов Fe. К ним относятся бокситы, состоящие в основном из гидроксидов алюминия с примесью опала, глинистых минералов. Чистые разновидности бокситов содержат до 65—75% глинозема и до 25—35% воды. Окраска их может быть белой, охристо-желтой, бурой в зависимости от содержания оксидов железа. В структурно-текстурном отношении они могут быть микрозернистыми твердыми или рыхлыми разновидностями, похожими на глину. Бокситы используют для получения глиноземистых цементов, огнеупорных материалов, адсорбентов и др. Крупные месторождения их имеются на Урале, в Ленинградской области.

Метаморфические (вторичные) породы образовались под воздействием высоких температуры и давления, химически активных газообразных веществ и горячих растворов, циркулирующих в породах. Воздействию этих факторов, особенно проявляющихся при тектонических процессах, подвергаются как магматические, осадочные, так и ранее метаморфизованные породы. Результат такого воздействия — изменение структурных и текстурных свойств, а иногда и химического состава пород. Минеральный состав метаморфических пород сходен с составом материнских пород, но наряду с первичными минералами: кварцем, полевыми шпатами, амфиболами, слюдами — появляются вторичные, характерные только для метаморфических пород: гранаты, хлориты, серпентин и др. Они имеют кристаллически-зернистую (кристаллобластовую) структуру с вытянутой формой частиц и разнообразные виды текстур. Наиболее типичными текстурами являются сланцеватая с параллельным расслоением в одном направлении чешуйчатых, листоватых, пластинчатых минералов; полосатая (гнейсовая) с линейным расположением чередующихся полос различного минерального состава, а также массив- ная текстура, развивающаяся при перекристаллизации однородных первичных пород без изменения расположения их зерен (рис. 8.6) Формы залегания метаморфических пород соответствуют формам залегания материнских магматических и осадочных пород. К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты и мраморы.

196

Рис. 8.6. Структура и текстура метаморфических пород: а — гранобластовая структура (гнейс); б — слоистая текстура (гнейс)

Гнейсы — светлоокрашенные серые, красноватые и других оттенков кристаллически- зернистые породы, образующиеся при метаморфизме кислых магматических и осадочных пород Среди них различают ортогнейсы, появившиеся из гранитных или кислых порфировых, и парагнейсы — результат метаморфизма осадочных пород: аркозовые песчаники, рыхлые скопления кварца, полевого тата, слюд и др. Ортогнейсы по минеральному составу сходны с гранитами, но отличаются от них слоистой или полосатой текстурой, с которой связано появление анизотропии и ухудшение свойств породы. Тонкослоистые гнейсы не отличаются морозостойкостью и сравнительно быстро выветриваются. При этом разрушение происходит еще быстрее, если они содержат пирит. Средняя плотность их составляет 2400—2800 кг/м3, а наибольший предел прочности при сжатии (перпендикулярно слоистости) изменяется от 100 до 200 МПа и уменьшается в параллельном направлении примерно в 2 раза. Слоистость облегчает добычу и перера- ботку гнейсов, но при этом образуется нежелательная лещадность щебня. Они используются в виде облицовочных плит, для кладки фундаментов, в качестве мостильного и бутового камня и др. Гнейсы являются самыми распространенными метаморфическими породами. Их месторождения известны в Карелии, на Кольском полуострове, в Восточной Сибири, Средней Азии, на Украине, Кавказе и др.

Кристаллические сланцы образуются из магматических или осадочных пород путем метаморфизации. Наиболее сильно изменяются глины, которые уже при слабом влиянии метаморфизма превращаются в глинистые сланцы, а с дальнейшим его усилением претерпевают полную перекристаллизацию и переходят в филлиты — темно-серые и красноватые тонкосланцеватые породы, состоящие из вторичного кварца, серицита и хлорита. Они отличаются способностью раскалываться на ровные тонкие пластинки и, обладая достаточной плотностью, вязкостью, твердостью и водостойкостью, используются как местный кровельный-материал. Филлиты имеют предел прочности при сжатии 50—240 МПа, плотность — около 2,7 г/см3 и пористость — 0,3—3%.

При дальнейшем повышении давления и температуры филлиты преобразуются в другие разновидности сланцев: слюдяные, хлоритовые, тальковые и т. д. Особое место занимают шунгитовые сланцы — древние (докембрийские) метаморфизованные осадочные породы плотной структуры, сложенные шунгитовым (аморфным графитовым) веществом. Они окрашены в темно-серый иногда, черный цвета, отличаются средней плотностью 2700— 2900 кг/м3, прочностью при сжатии 140—300 МПа, а при изгибе 35—55 МПа и водопоглощением до 0,16—0,38%. Особо ценным свойством этих пород является их способность превращаться в легкий пористый заполнитель — шунгизитовый гравий. При этом наиболее активное и полное вспучивание при обжиге проявляется у шунгитовых пород, содержащих 1,2—5% шунгитового вещества с частицами размером около 0,02 мкм, равномерно распределенного в кварц-плагиоклазхлоритовой силикатной массе. В последней хлорит может заменяться слюдой или же хлорит и слюда могут присутствовать

197

одновременно. Особенностью шунгизитового гравия является наличие стекловатой структуры и исключительная инертность по отношению ко всем агрессивным средам. Шунгитовые сланцы применяют в качестве сырья для получения шунгизитового гравия, черного цемента, красок, добавок при изготовлении силикатного кирпича, штучных плит для полов, плинтусов, а также как декоративный и скульптурный материалы. Шунгитовые сланцы добывают в Карелии. Различные разновидности других кристаллических сланцев встречаются во многих районах Сибири, Урала, Кавказа.

Кварциты образуются путем метаморфизации кварцевых песков и песчаников под влиянием динамотермического метаморфизма с преобладанием высоких температур и превращаются в кварциты — очень плотные и твердые мелко- и среднезернистые (гранобластовые) белые, желтые, серые, красноватые породы с массивной или сланцеватой текстурой. Наряду с кварцем (до 95—99%) они могут содержать различные примеси: слюды, гематит, хлориты и др. Кварциты погодоустойчивые и прочные породы: предел прочности их 100—400 МПа, а средняя плотность 2800— 3000 кг/м3. Они отличаются слабым сцеплением с вяжущими, большой хрупкостью и трудно обрабатываются; имеют высокую огнеупорность, кислото-и щелочестойкость и применяются главным образом в производстве динаса, а также как абразивный, кислото- и щелочестойкий материал. Красивые разновидности кварцитов — прекрасный декоратив- ный и облицовочный материал. Разновидности со значительным содержанием (более 40%) железистых минералов служат рудами (Криворожье, Курская магнитная аномалия). Месторождения кварцитов известны в Карелии, Ленинградской области, Криворожье, КМА, на Алтае и др.

Мраморы возникают в природе в результате перекристаллизации известняков и доломитов преимущественно под влиянием динамотермального метаморфизма с преобладанием температурного фактора. Чаще всего они появляются на контакте карбонатных пород с интрузиями и представляют собой равномерно-зернистые мас- сивные или слоистые породы, окрашенные в разнообразные цвета от светлых до черных с различными оттенками в зависимости от содержания примесей. К главным породообразующим минералам относятся кальцит (легко вскипающие от HCl мраморы) и доломит (плохо вскипающие мраморы), с возможными примесями, в том числе кварца. Особенно вреден пирит, легко разлагающийся на воздухе с образованием H2SO4 и сильно ухудшающий физико-механические свойства мрамора и его окраску. Средняя плотность мрамора 2600— 2800 кг/м3, а предел прочности при сжатии достигает 100—120 МПа. Доломитовый мрамор значительно тверже и прочнее кальцитового. Мраморы хорошо обрабатываются — пилятся, шлифуются и полируются, слабо сопротивляются выветриванию, особенно влиянию агрессивной воды, содержащей растворенную уг- лекислоту. Их применяют для внутренних отделочных работ, а в виде крошки — при приготовлении цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона. Месторождения мрамора находятся в Карелии, на Урале, в Сибири, на Украине, Кавказе.

198

8.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

Качество минерального материала определяется степенью дисперсности и кристаллохимическими особенностями (топохимией) поверхности его частиц. Дроблением грубозернистых минеральных материалов обеспечивается получение частиц разных размеров и формы, что позволяет разделять их на фракции. При измельчении мелкозернистых материалов увеличивается удельная поверхность и повышается ее физико-химическая и химическая активность. Последовательное уменьшение размеров частиц в процессе измельчения минералов и горных пород сопровождается быстрым увеличением их' суммарной и удельной поверхности (см. рис. 2.2). С увеличением удельной поверхности материалов повышаются ее потенциальные энергии и способность переходить в другую фазу, например путем растворения частиц. При механическом измельчении нарушаются некоторые химические связи с образованием на поверхности частиц групп свободных радикалов и свободных ионов с нескомпенсированными зарядами, например катионов Ca2+ и комплексных анионов (CO3)2- при нарушении связей между ними в кристаллической решетке кальцита, или же появлением ненасыщенных катионов Ca2+ и анионных тетраэдрических групп SO42- при дроблении гипса. Об- разующиеся при этом частицы — обломки кристаллических решеток — становятся сложными пространственными системами, взаимодействующими с внешней средой как сложные электрические поля, знак и величина которых зависят от химического состава ве- щества, характера строения и размера частиц. Свежеобразованная поверхность минеральных частиц обладает повышенной реакционной способностью, причем она может заряжаться преимущественно положительно, как, например, у кальцита, или отрицательно, как у кварца, или оказаться нейтральной, как у графита.

Путем сухого измельчения минеральных материалов можно получить порошки с различными кристаллохимическими особенностями: а) с высоким потенциалом положительного знака и большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Ca2+ и Mg2+ на поверхности частиц — из кальцита, доломита, известняка; б) с высоким потенциалом отрицательного знака и значительным количеством адсорбционных центров в виде ионов O2- — из кварца, кремния, каолинита, гранита, трахита, вулканического туфа; в) с пониженным потенциалом отрицательного знака в связи с наличием на поверхности их частиц катионов различной валентности K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ и др. — при измельчении полевого шпата, слюд, роговой обманки, авгита, асбеста, гидрослюд, гипса, габбро, диабаза и др.; г) с преимущественно нейтральной поверхностью частиц — полученные из талька и графита. Частичное нарушение химических связей, вызываемое измельчением материалов, способствует появлению на поверхности частиц химических центров с повышенной активностью, эффективность проявления которой при взаимодействии с реагентами окружающей среды (вода, щелочные и кислотные растворы и др.) определяется характером и составом последней. Обычно создаются благоприятные условия Для протекания физико-химических процессов на границе раздела фаз в виде смачивания, адсорбции, растворения и т. п.

Одной из предпосылок обоснованного выбора исходного материала является прогнозирование энергетических свойств его поверхности в высокодисперсном порошкообразном состоянии, в том числе с изменением знака потенциала на границе раздела фаз. Примером сохранения или изменения кристаллохимических особенностей высокодисперсных минеральных материалов может служить использование сухого свежеизготовленного порошка хризотил-асбеста в двухкомпонентных битумоминеральных смесях или же в сложных системах — при производстве асбестоцементных изделий мокрым способом. В первом случае при приготовлении асфальто-вяжущего вещества на основе битума сухой хризотил-асбестовый порошок при соединении с последним сохраняет свой несколько пониженный отрицательный потенциал поверхности частиц, не обеспечивающий достаточно прочного взаимодействия

199

их с ПАВ (свободными асфальтогеновыми кислотами, асфальтенами) битума на границе раздела фаз, которое несколько компенсируется механическим армированием битумоминеральной смеси тончайшими (до 0,1µ и меньше) эластическими волокнами асбеста.

Последующее контактирование битумно-асбестового вещества с водой, т. е. появление в этой системе новой (водной) фазы, сопровождается резким снижением его структурно- механических свойств. Значительная часть пленочного битума, слабо связанного с поверх- ностью асбестовых частиц, при этом снова переводится в свободное состояние полярными молекулами воды, которые одновременно гидратируют освободившуюся поверхность асбестовых частиц. Поверхностно-активные вещества битума, потерявшие адсорбционную связь с частицами асбеста, становятся активными гидрофильными центрами в системе, особенно сильно гидратируя и ухудшая ее свойства с повышением дисперсности и количества асбестового порошка. При этом возможно изменение отрицательного знака потенциала поверхности частиц хризотил-асбеста на положительный в результате ее перезарядки. Последняя может быть вызвана преиму- щественным отщеплением ионов (ОН)- с их поверхности молекулами воды и возникающим на ней вследствие этого избытком положительных ионов Mg2+.

При производстве асбестоцементных изделий мокрым способом хризотил-асбест является составной частью сложной системы асбест — цемент — водный раствор гипса, извести и щелочей. Свойства его поверхности начинают быстро изменяться на границе с водной, щелочной или другими средами, приобретая положительный потенциал, около 100 mv, за счет перезарядки поверхностного слоя частичек (волоконец) асбеста, которые состоят из гидроксильных групп (ОН)-, соединенных со смежным внутренним слоем из ионов Mg2+. Значительная поверхностная активность этих щелочных групп при их частичном растворении или притяжении ионов противоположного знака обеспечивает появление явно выраженного положительного заряда хризотил-асбеста. С этими явлениями связаны эффективность технологического процесса получения асбестоцементной продукции и ее качество, которые определяются характером реакций, протекающих на поверхности раздела компонентов в системе, и зависят от фильтрующей способности асбестоцементной суспензии, т. е. от поверхностных свойств твердых асбестовых частиц и раствора, в котором они диспергированы. Размеры седиментационного объема при фильтрации асбестоцементной суспензии связаны обратной зависимостью с величиной поверхностных зарядов частиц. При хризотил-асбестовом компоненте с его сравнительно большим зарядом имеет место значительное отталкивание частиц, препятствующее их слипанию, и возникают малые седиментационные объемы с плотной упаковкой твердых частиц, пониженной водопроницаемостью и повышенной тенденцией к самоуплотнению, которые мешают регулировать плотность продукции.

При использовании хризотил-асбеста из верхних горизонтов месторождений его внешний бруситовый слой Mg(OH)2 может оказаться нарушенным вследствие выветривания. Во взаимодействие с жидкой средой вступает тогда более глубокий слой кремнекисло- родных тетраэдров, что вызывает образование тончайшего слоя кремнекислоты H2SiO3, диссоциирующей с отщеплением преимущественно ионов Н+. Оставшиеся при этом на поверхности частиц ионы SiO32- сообщают им отрицательный заряд, а подвергшийся вы- ветриванию хризотил-асбест по знаку потенциала напоминает амфиболовый асбест. Эта последняя разновидность асбеста характеризуется небольшим отрицательным зарядом и способностью образовывать беспорядочно ориентированные сетчатые асбестоцементные структуры с хорошими фильтрационными свойствами (очень важными при производстве асбестоцемента).

При измельчении минеральных материалов рациональный предел степени дисперсности устанавливают опытным путем. С его превышением энергетическая активность поверхности настолько возрастает, что происходит самопроизвольное агрегирование частиц с появлением комковатости, уменьшением удельной поверхности и однородности.

200