Глава 8 Природные каменные материалы и изделия1

8.1. Общие сведения

Природные строительные материалы, получаемые в результате относительно несложной механической обработки монолитных гор­ных пород с сохранением их физико-механических и технологиче­ских свойств, используют в виде плит, блоков, бортовых и облицо­вочных камней, дорожной брусчатки, бутового камня, щебня, дробленого песка и т. д. В огромных количествах используют также естественные рыхлые породы: валуны, гравий, песок, глину и др. Кроме того, горные породы являются важнейшими сырьевыми про­дуктами при получении искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.), для чего их подвергают сложным видам механической и хими­ческой переработки.

Широкое использование природного сырья связано с благопри­ятными физико-химическими свойствами многочисленных пород. Уже в ранний период своего существования человек обнаружил на поверхности земли и в ее недрах множество природных материалов, которые полностью удовлетворяли его сравнительно ограниченные потребности. На последующих стадиях развития человеческого об­щества появляются повышенные требования к качеству строитель­ного камня и одновременно усложняются способы обработки и пе­реработки природного сырья для получения материалов с иными качествами и свойствами, например превращение обычной глины в камень при ее обжиге с получением стабильных свойств готового продукта.

Горными породами называются простые и сложные природные минеральные агрегаты, которые занимают значительные участки земной коры и отличаются большим или меньшим постоянством хи­мического и минерального состава, структуры, а также определен­ными условиями залегания. Они слагают поверхностные слои зем­ной коры мощностью 15—60 км и образуют естественные скопления ценного минерального сырья. В настоящее время в нашей стране ежегодно расходуется около 2 млрд. т горных пород на нужды про­мышленности строительных материалов.

8.2. Породообразующие минералы

Для производства строительных материалов и изделий горные породы добывают из поверхностных слоев земной коры, в состав которой входят все химические элементы: кислород — до 47%, кремний — до 26%; алюминий и железо составляют соответственно 8 и 5%, суммарное количество кальция, магния, натрия и калия не превышает 11% общей массы горных пород. Остальные элементы составляют приблизительно 3% состава земной коры. В чистом виде химические элементы встречаются в ней редко; подавляющее боль­шинство их находится в виде соединений с однородным химическим составом, структурой и свойствами, которые называются минерала­ми. Содержащиеся в составе горных пород минералы разделяют на породообразующие и второстепенные. Первые, примерно 40—50 минералов, участвуют в образовании горных пород и обу­словливают их свойства; вторые встречаются в них только в. виде примесей. Среди породообразующих минералов выделяются пер­вичные и вторичные. Первичные возникли при формировании по­род, вторичные — позже, как продукты видоизменения первичных минералов.

Природные минералы находятся в основном в твердом состоя­нии и имеют преимущественно кристаллическое строение с законо­мерным расположением частиц (ионов, атомов, молекул) в про­странстве. Реже они встречаются в виде аморфных веществ с беспорядочным пространственным расположением частиц. Каждый минерал возникает как химическое соединение в природе в услови­ях, характеризующихся определенным сравнительно узким значением температуры, давления и концентрации химических компонентов в системе. Он сохраняется неизменным до тех пор, пока не происхо­дит заметного изменения этих условий. И тогда минерал может быть подвергнут изменению, разрушению или замещению в горных породах другими минералами, т. е. природными химическими сое­динениями, устойчивыми в новых условиях. Впрочем, среди минера­лов хорошо известны и те немногие их разновидности, которые спо­собны сохранять свою устойчивость в достаточно широких пределах изменения внешних условий, например алмаз, графит, ко­рунд, рутил и др.

Твердые минералы обладают рядом характерных свойств, ока­зывающих большое влияние на технические свойства пород: твер­дость, спайность, излом, блеск, окраска, плотность. Эти свойства за­висят от строения и прочности связей в кристаллической решетке.

Твердость характеризует поверхностную энергию минерала. Она оценивается по шкале Мооса, которая состоит из десяти мине­ралов, расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз корунд и алмаз. Определяют твердость пробой на царапанье; выражается она порядковым числом соответствующего эталона в шкале, остав­ляющего царапину на испытуемом образце. Более точную оценку твердости получают специальными склерометрическими прибора­ми. Показатель твердости материала имеет большое практическое значение и косвенно позволяет судить о механических свойствах природного камня.

Спайность проявляется в виде способности минералов рас­калываться по определенным направлениям с образованием глад­ких зеркальных поверхностей — плоскостей спайности. Одни мине­ралы легко расщепляются на тончайшие пластинки в одном или нескольких направлениях, у других она проявляется плохо или со­всем отсутствует. Спайность служит важным диагностическим при­знаком минералов и вместе с показателями твердости способствует предварительной оценке механических свойств природных материа­лов.

Излом является характеристикой неровной поверхности рас­кола минерала, прошедшего не по направлениям спайности. Среди разнообразных видов излома выделяются ровный, ступенчатый, не­ровный, раковистый, занозистый, землистый. Изломы позволяют не только диагностировать, но и оценивать свойства минералов.

Окраска — важный диагностический признак минералов, так как для большинства их она сохраняется постоянной и вместе с тем имеет определяющее значение для декоративной характеристики природного камня. Окраска обусловлена присутствием красящих элементов (хромофор) в составе минерала, в частности Сr, Мn, Fe и др., или посторонних тонко окрашенных примесей, иногда газовых пузырьков. Возможно также появление ложной окраски, вызывае­мой интерференцией световых лучей при их отражении от внутрен­них плоскостей трещин спайности.

Блеск возникает в результате отражения световых лучей от по­верхности минерала и имеет важное диагностическое значение. Од­новременно он является характеристикой декоративных или юве­лирных достоинств минерала. Блеск появляется под влиянием двух факторов: показателя преломления светового луча при прохожде­нии в кристаллической среде минерала и коэффициента его погло­щения данной средой. При наибольшем показателе преломления у прозрачных минералов возникает очень сильный алмазный (неме­таллический) блеск. Вещества с небольшим показателем преломле­ния (например, сернистые минералы) обычно непрозрачны и харак­теризуются металлическим блеском. В зависимости от величины показателя преломления и характера отражающей поверхности ми­нералы приобретают стеклянный, перламутровый, жирный, шелко­вистый, матовый и другие виды блеска, которые учитываются при отборе минерального сырья для практических целей. В природе пре­обладают минералы со стеклянным блеском, имеющие средние по­казатели преломления 1,3—1,9.

Плотность (истинная)¹ колеблется у минералов от значений, меньших единицы (озокерит), до 20 и выше (осмистый иридий). Она зависит от химического состава и структуры, атомной массы эле­ментов, их ионных радиусов и валентности. Числовые значения плотности помимо диагностических характеристик имеют практическую ценность при оценке качества минерального сырья и используются при его обогащении. Наибольшее распространение в природе имеют минералы с малой ( от 2 до 4 г/см³) плотностью. Приводимое ниже описание наиболее распространенных и важных в породообразующем отношении минералов предусматривает ха­рактеристику представителей классов силикатов, оксидов и гидроксидов, карбонатов, сульфатов, сульфидов и самородных минера­лов.

Силикаты являются солями различных кремниевых кислот и от­носятся к сложным химическим соединениям, содержащим в своем составе элементы K, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Al, Si, O, H и др. Однако для них более характерным является не химический состав, а осо­бенности кристаллического строения с наличием ионной кристалли­ческой решетки. Основной структурной единицей этой решетки яв­ляется кремнекислородный тетраэдр (SiО₄)^4-, размеры которого почти всегда строго постоянны (рис. 8.1). Характерной особенно­стью кремнекислородных тетраэдров является способность иона Si частично заменяться ионом A1 с появлением в кристаллической решетке других алюмокислородных тет­раэдров (AlO₄)^4- с образованием кар­касных алюмосиликатов. К наиболее важным представителям этого класса относятся полевые шпаты, нефелин, ро­говая обманка, авгит, слюды, гидро­слюды, а также вторичные силикаты — тальк, асбест, каолинит, монтморилло­нит.

Полевые шпаты по химическому со­ставу — алюмосиликаты калия, натрия, кальция. В горных породах распро­странен калиевый полевой шпат K(AlSi₃О₆), именуемый ортоклазом. Характерная его особенность: между двумя плоскостями спайности у него образуется прямой угол, и его название означает прямораскалывающийся (орто — прямо, клаз — раскалывание). Не менее распростра­нены полевые шпаты и в виде плагиоклазов, т. е. косораскалывающихся.

Рис. 8.1. Кремнекислородный тетраэдр

К двум разновидностям этих полевых шпатов относятся аль­бит — алюмосиликат натрия Na(AlSi₃О₈) и анортит — алюмосили­кат кальция Ca(Al₂Si₂О₈)₈. Ортоклаз имеет светлую окраску, стек­лянный блеск, высокую твердость (6—6,5)¹, совершенную спайность в двух направлениях и плотность от 2,5 до 2,7 г/см³. На поверхности земли ортоклаз постепенно выветривается и превращается в глини­стый минерал. Как породообразующий компонент ортоклаз прида­ет повышенную твердость и прочность горной породе. Высокосорт­ные залежи калиевых полевых шпатов имеются в Карелии, на Урале, в Сибири и других районах нашей страны.

Плагиоклазы в природе существуют в виде многочисленных разновидностей — от чистого анортита до чистого альбита, при­чем чем выше содержание анортита в составе плагиоклаза, тем выше показатель его основности. Так, при содержании в составе плагиоклаза от 0 до 30% анортита он является кислым плагиклазом, от 30 до 60% — средним и от 60 до 100% — основным. Плагиоклазы бывают белого или серовато-белого, реже серого и чер­ного цветов со стеклянным блеском и характерной для них иризацией в синих и зеленоватых тонах. Отличаются высокой твердостью (6—6,5), хрупкостью и плотностью в пределах 2,61—2,76 г/см³, совершенной спайностью. Плагиоклазы неустой­чивы к химическому выветриванию на поверхности земли и пере­ходят в глинистые соединения. Применяются в качестве особо ценного декоративного и облицовочного материала (Лабрадор). Их месторождения известны на Украине и Урале.

К числу каркасных алюмосиликатов, объединенных кремнезе­мом, относится также нефелин Na(AlSiO₄), который входит как по­родообразующий минерал в щелочные магматические породы (не­фелиновые сиениты, нефелиниты и др.). Нефелин — бесцветный или чаще серовато-белый минерал с разнообразными оттенками, имеет твердость 5—6 и невысокую плотность (2,6 г/см³), несовершенную спайность, неровный или раковистый излом. Легко выветривается на поверхности земли, превращаясь в каолинит и вторичные обра­зования карбонатного, сульфатного состава и др. В контакте с бога­тейшими апатитовыми месторождениями нефелиновые породы не­редко образуют крупные массивы, имеющие промышленное значение; используются при производстве цемента, стекла; из нефе­линовых отходов с помощью обогащения получают глинозем, соду, силикагель, ультрамарин и др. Месторождения этих пород известны на Кольском полуострове (Хибины).

К ленточным силикатам (амфиболам) относится роговая обман­ка — важный породообразующий компонент магматических и мета­морфических пород. В ее состав входят элементы Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si, O, H, образуя сложную химическую формулу. Роговая обманка окрашена в темно-бурые, зеленые и черные цвета с шелковистым или стеклянным блеском. Имеет высокую твердость (5,5—6) и плот­ность (3,1—3,36 г/см³), характеризуется совершенной спайностью и занозистым изломом. Она отличается высокой вязкостью и боль­шой прочностью, поэтому присутствие ее придает породам повы­шенные прочность и ударную вязкость. Наиболее известные место­рождения роговой обманки имеются на Урале.

Авгит — магнезиально-железистый силикат Ca(Mg, Fe, Al) [(Si, Al)₂О₆] относится к цепочечным силикатам (пироксенам) и яв­ляется важным породообразующим минералом основных магматических пород. Обычно окрашен в темно-зеленый, черно-бурый или черный цвет со стеклянным блеском. Имеет твердость 5—6 и плот­ность 3,2—3,6 г/см³, совершенную спайность, повышенные вяз­кость и прочность. Присутствие авгита в породах сообщает им высокую сопротивляемость механическим воздействиям. Встреча­ется на Урале.

3 группу слоистых силикатов входят многочисленные предста­вители со слоистым, листоватым или чешуйчатым строением. Наиболее распространены в породах слюды (особенно биотит и муско­вит), гидрослюды, в частности вермикулит, а также тальк, асбест каолинит, монтмориллонит.

Слюды относятся к группе алюмосиликатов и как породообразующие компоненты входят в состав магматических и некоторых метаморфических пород. Физические свойства слюд близки: они легко расщепляются на очень тонкие, гибкие и упругие пластинки. Выделяются две разновидности слюд, отличающихся по химическо­му составу: мусковит и биотит.

Мусковит — белая слюда KAl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₀] встречается в маг­матических и метаморфических породах. Имеет перламутровый блеск, весьма совершенную спайность в одном направлении, благо­даря чему легко расщепляется на тонкие и прозрачные упругие лис­точки, невысокую твердость (2—3) и плотность 2,8—3,1 г/см³. Мус­ковит относительно стоек химически и при выветривании обычно переходит в россыпи без заметного изменения. Используется как от­личный электроизоляционный материал, а в строительстве — в виде слюдяного порошка (скарпа), как посыпочный материал при изго­товлении кровельных материалов (рубероида), огнеупорных красок, керамических изделий и т. п. Достаточно крупные месторождения мусковита имеются на Кольском полуострове, Украине, Среднем Урале, в Восточной Сибири.

Биотит — черная или бурого цвета железисто-магнезиальная слюда K(Mg, Fe)₃ [Si₃AlO₁₀][OH, F]₂ широко распространена в кис­лых магматических и метаморфических породах. Имеет небольшую твердость (2—3), весьма совершенную спайность в одном направле­нии, легко расщепляется на тончайшие упругие пластинки. В приро­де образует преимущественно пластинчато-чешуйчатые и зернистые скопления, является химически нестойким минералом. Месторожде­ния биотита известны на Урале, в Забайкалье и др.

Гидрослюды — слюдоподобные минералы, содержащие значи­тельное количество связанных молекул H₂O между слоистыми паке­тами, образованными кремнекислородными тетраэдрами в кристал­лической решетке, которые сравнительно легко удаляются при нагревании. Гидрослюды являются результатом выветривания мус­ковита, биотита и других минералов группы слюд и рассматривают­ся как промежуточные соединения между слюдами и глинистыми минералами слоистой структуры. Химический состав гидрослюд не­постоянный, так как изменяется количественное содержание катио­нов, связывающих упомянутые выше слоистые пакеты, и межпакет­ной воды.

Среди этих минералов наибольшее практическое значение имеет вермикулит золотистого или коричневого цвета (Mg, Fe²⁺, Fe³⁺)₃(OH)₂[(Al, Si)₄O₁₀]∙4H₂O. Он имеет низкую твердость (1—1,5) и плотность (2,4—2,7 г/см³), совершенную спайность и способен раз­деляться на тонкие гибкие неупругие пластинки. При прокалива­нии, в интервале температур от 900 до 1100°С, его молекулярная вода превращается в пар с образованием внутреннего давления, под влиянием которого происходит расслоение слоистых пакетов и раз­деление их на червеобразные столбики или нити с поперечным деле­нием на тончайшие чешуйки. Образование огромного количества воздушных прослоек в кристаллической решетке сопровождается сильным (в 15—25 раз) увеличением объема вспученного вермику­лита и уменьшением его средней плотности до 0,1—0,3 г/см³. Верми­кулит является хорошим теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом. Крупные месторождения его находятся на Украине, Урале и Кольском полуострове.

К группе вторичных слоистых силикатов относятся довольно широко распространенные в природе тальк, асбест, каолинит и мон­тмориллонит.

Тальк Mg₃[Si₄O₁₀][OH]₂ образуется при изменении магнезиаль­ных силикатов и алюмосиликатов природными горячими раствора­ми и является породообразующим минералом тальковых сланцев. Окрашен в белый или бледно-зеленый цвет, имеет стеклянный блеск с перламутровым отливом, очень низкую твердость (меньше 1), плотность 2,7—2,8 г/см³, весьма совершенную спайность и легко расщепляется на гладкие неупругие пластинки, жирный на ощупь. Тальк применяют в порошкообразном виде в качестве наполните­лей в производстве пластмасс, паст, глазурей и кислотоупорных из­делий. Камневидный тальк используют для огнеупорной футеровки. Промышленные месторождения его известны на Урале.

Асбест встречается в виде нескольких разновидностей, но наибо­льшее применение для практических целей имеет хризотил-асбест Mg₆[Si₄O₁₀][OH]₁₈. Для асбеста характерна параллельно-тонковолок­нистая структура с длиной волокон, колеблющейся от десятых до­лей миллиметра до 20—25 мм, иногда до 50—150 мм. Он имеет зеле­новато-желтый, а в распушенном состоянии снежно-белый цвет, невысокую твердость (2—3) и способен расщепляться на прочные волоконца толщиной меньше 0,0001 мм. Отличается высокой огне­стойкостью и щелочеупорностью, плохо проводит теплоту и элект­ричество. Хризотил-асбест образуется из ультраосновных оливиновых, а также карбонатных пород под влиянием природных горячих растворов. Наиболее ценным считается длинноволокнистый асбест с длиной волокон более 8 мм, используемый при производстве не­сгораемых тканей, автомобильных тормозных лент, асбесторезиновых изделий и др. Для изготовления асбестоцементных изделий, теплоизоляционных труб, панелей и т. п. применяют асбест с длиной волокон 2—8 мм. Из мелкого асбестового волокна получают обма­зочную теплоизоляцию, огнестойкие краски, штукатурные раство­ры и др. Значительные месторождения асбеста известны на Украи­не, Урале, в Забайкалье, Саянах и других районах страны.

Каолинит АЬ[812О5][ОН]4 является главным минералом многих глинистых пород. Имеет совершенную спайность, легкую расщепляемость на тонкие неупругие чешуйки, весьма низкую твердость (ме­ньше 1) и невысокую плотность — около 2,6 г/см³. В природе он встречается в виде рыхлых чешуйчатых или плотных тонкозернистых агрегатов белого цвета с различными оттенками и матовым блеском. Каолинит образуется преимущественно путем выветрива­ния алюмосиликатов (полевых шпатов, слюды и др.), содержащихся в породах под влиянием воды и СО2, отличается достаточной устой­чивостью на поверхности земли и, накапливаясь, образует мощные толщи глинистых пород. Основной потребитель каолиновых глин — керамическая промышленность. Они используются при про­изводстве тонкой фарфоровой и фаянсовой керамики. Каолиновые наполнители широко применяют при производстве пластмасс, эму­льгаторов, красителей и т. д. Месторождения каолиновых глин рас­пространены на Урале, Украине, в Казахстане, Подмосковье и др.

Монтмориллонит (Al, Mg)₂(OH)₂[Si₄O₁₀] nH₂O отличается непо­стоянным химическим составом, который зависит от содержания воды в атмосфере. Образуется в условиях щелочной среды при раз­ложении вулканических пеплов и туфов в морской воде. Имеет по­движную кристаллическую решетку, вследствие чего приобретает способность к сильному набуханию в присутствии воды и увеличе­нию ее размеров почти в 3 раза, а при нагревании — к постепенному высыханию и значительной усадке. Монтмориллонит имеет белую окраску с разнообразными оттенками, матовый блеск (в сухом со­стоянии), совершенную спайность чешуек, непостоянную плот­ность, незначительную твердость (меньше 1) и жирность на ощупь. Он широко распространен на поверхности земли, преимущественно в районах выветривания основных магматических пород; отличает­ся сравнительной устойчивостью к химическому выветриванию. Яв­ляясь составной частью глинистых пород, сообщает им повышен­ные набухаемость и адсорбируемость. В чистом виде используется как адсорбент (отбеливатель), наполнитель, эмульгатор в резино­вом, пластмассовом, керамическом и других производствах. Высо­кокачественные месторождения монтмориллонитовых глин нахо­дятся на Кавказе, в Крыму, Приднепровье, Закарпатье.

Оксиды являются соединениями металлов и металлоидов с кис­лородом. Наиболее распространенный минерал этого класса — кварц SiO₂, встречающийся в трех главных модификациях: α-кварц, тридимит и кристобалит. Основой его кристаллической структуры служат кремнекислородные тетраэдры, которые образуют прочную решетку каркасного типа, характерную для всех трех его модифика­ций. Образование кварца связано как с магматическими процессами в недрах земли, так и выпадением из холодных растворов на ее по­верхности. Наиболее изученным является α-кварц, который называ­ют просто кварцем. Он устойчив при температуре ниже 573°С. Три­димит устойчив в температурном интервале 870—1470°С, а, кристобалит — при температуре ниже 1713°С. Свойства этих моди­фикаций зависят от неплотной упаковки ионов кислорода в кремнекислородных каркасах. При одном и том же способе сцепления кремнекислородных тетраэдров друг с другом через их вершины между тетраэдрами появляются пустотки, которые в низкотемпера­турном кварце обладают малыми размерами, а в высокотемператур­ных, более рыхло построенных тридимите и кристобалите, они крупнее. Поэтому α-кварц значительно плотнее — 2,65 г/см³, чем тридимит (2,30) и кристобалит (2,27), и тверже (7), чем последние (соответственно 6 и около 7). В прямой зависимости от строения на­ходятся и их оптические свойства. Чистый кварц — бесцветный ми­нерал, но может приобретать различную окраску в зависимости от содержания механических примесей. Отличается высокой твердо­стью (7), несовершенной спайностью, раковистым изломом. Как по­родообразующий минерал кварц входит в магматические, осадоч­ные и метаморфические породы. Он является химически стойким минералом и накапливается в виде мощных осадочных отложений (песка, песчаника). Повсеместное распространение кварца способст­вует широкому использованию его в стекольной промышленности, а в виде природного камня (кварцитов, песчаников) — в качестве стойкого облицовочного и конструкционного строительного мате­риала. Кварц является хорошим абразивом, а также используется как сырье для производства оптических приборов, химической по­суды и т. п. Многочисленные месторождения кварца известны на Урале, Памире, в Забайкалье, на Украине, Кавказе.

В природе часто встречается гидратированный аморфный кремнезем — опал SiO₂∙nH₂O. Содержание воды в нем колеблется от 1 до 5% и иногда выше. В чистом виде он бесцветен, но при на­личии примесей приобретает разные оттенки, имеет стеклянный, а у пористых разновидностей матовый блеск, низкую плотность (1,9—2,5 г/см³) и среднюю твердость (5—5,5). Сравнительно легко растворяется в щелочах, например в KOH, но в кислотах не разла­гается. Условия образования его различны: осаждение из горячих растворов и гейзеров (кремнистые туфы), выветривание ультраос­новных магматических пород, коагуляция и седиментация золей кремнезема в морских бассейнах, накопление продуктов жизнедея­тельности морских организмов и т. д. Осадочными опалсодержащими породами являются трепелы, диатомиты, опоки, мергели и др., применяемые как гидравлические добавки при производстве цемента, абразивов, а также для изготовления керамических изде­лий и легких блочных материалов. Они широко распространены на Урале, в Казахстане, Среднем Поволжье, Закавказье и др.

Из группы оксидов и гидроксидов железа практическое значение имеют гематит и лимонит. Первый — кристаллический, второй — аморфный минералы. Гематит (красный железняк) α∙Fe₂О₃ содер­жит до 65—70% железа, а в сплошных гематитовых рудах обычно колеблется от 50 до 65%. Кристаллический гематит железо-черного, а аморфный — ярко-красного цвета, имеет полуметаллический блеск, высокие твердость (5,5—6), плотность (5—5,2 г/см²), неров­ный излом; хрупок. От других железистых минералов отличается по вишнево-красной черте, оставляемой на неглазурованном фарфоре. Гематит — химически стойкий минерал, образует мощные месторождения железной руды, являющейся ценным сырьем для получе­ния чугуна и стали. Порошкообразный гематит используют в каче­стве красок при отделочных строительных работах (входит в состав красного пигмента или является компонентом масляных и водных красок). Известные месторождения гематитовых руд находятся в районе Курской магнитной аномалии, на Северном Урале, на Украине.

Лимонит (бурый железняк) HFeO₃∙aq представляет собой слож­ный минерал, включающий гидроксиды железа и глинистые ми­нералы с различными примесями, содержащий от 10 до 14% во­ды. Сложный и переменный состав лимонита отражается на его свойствах, в том числе на твердости (изменяется в пределах 1—4), широком интервале оттенков его бурой окраски и плотности (3,3—4 г/см³). Образуется лимонит преимущественно на поверхно­сти земли при окислении и разложении железосодержащих минера­лов. Большие скопления лимонита являются месторождениями бу­рых железняков — сырья для производства чугуна и стали. Их разработка экономична при содержании в этих рудах до 35—40% железа. Крупные месторождения их известны на Керченском полу­острове, Урале.

Практическое значение имеет оксид титана, именуемый рутилом TiO₂. Существует три известных модификации этого соединения, но рутил среди них является наиболее устойчивой как при высокой, так и при низких температурах. Химический состав — Ti 69%, часто присутствуют Fe в виде окиси или закиси, иногда Zn (до 1,5%) и др. Рутил, богатый примесью Fe, в виде твердого раствора называется нигрином (FeTiO₃). Цвет рутила обычно темно-желтый, бурый, красный; у нигрина — черный. Блеск алмазный до металловидного, твердость 6, хрупок, спайность — совершенная. Встречается в ряде месторождений Ильменских гор (Южный Урал), в Казахстане, а в россыпях — на Среднем Урале. Из иностранных следует отметить месторождения рутила в Северной Каролине (США), а в виде ни­грина — в Норвегии. Употребляют для выплавки ферротитана (для стойких при ударах сортов стали), в керамике в качестве бурой кра­ски, для изготовления титановых белил и др.

К группе оксидов также относится природный минерал, значе­ние которого трудно переоценить как в строительном материало­ведении, так и в жизни на Земле. Этот продукт окисления водоро­да 2H₂ + O₂ = 2H₂O получается в виде льда, воды и водяного пара.

Лед — H₂O, содержит водорода 11,2 и кислорода 88,8%. Иногда содержит газообразные и твердые механические примеси. Является, водой в твердом кристаллическом состоянии. Возможно образова­ние кристаллов льда десублимационным путем, т. е. непосредствен­но из парообразного состояния.

В природе этот оксид — очень распространенный минерал, об­ладает молекулярной кристаллической структурой, хотя определен­ную роль играют и водородные связи, образующиеся между молеку­лами H₂O. Они начинают разрываться при повышении температуры льда до 0°С и выше, полностью исчезают при высокой температуре воды. В больших скоплениях лед имеет голубоватый оттенок, но бесцветен и со стеклянным блеском, прозрачный. Спайность отсут­ствует, твердость 1,5, хрупкий. Кристаллы льда имеют различное очертание, что зависит от условий его образования — в атмосфере (снежинки), в ледяных пещерах, в условиях вечной мерзлоты и др., но в целом его плотность ниже воды (0,917) в связи с низким коор­динационным числом каждой молекулы H₂O, равным 4 (ажурная структура льда). Хорошо ограненные кристаллы льда встречаются редко. Обладает достаточно высокой прочностью, что позволяет ис­пользовать толстый ледяной слой в зимнее время как сравнительно надежный «строительный материал», например при возведении вре­менных палаточных поселков, дорожно-мостовых переходов и т. п.

Вода по химическому составу и происхождению разделяется на морскую (с растворенными в ней солями), пресную речную и озер­ную, поверхностную дождевую и грунтовую, подземную, минераль­ных источников (углекислую, сероводородную, железистую и др.).

Критическая температура для чистой воды равна 374°С, крити­ческое давление 21,7 МПа. Плотность чистой воды равна 1 при 4°С, она понижается с уменьшением температуры (этим она отличается от других жидкостей, у которых она возрастает согласно линейному уравнению Д.И. Менделеева: d_t = d₀(1 – kt), где d_t — плотность при t°С; d₀ — плотность при 0°С; k — модуль термического расширения жидкости.

Вода служит не только средой (например, растворяющей) для многих физических явлений, но и важнейшим агентом химических процессов в земной коре. Электролитическая диссоциация воды на катионы H¹⁺ и анионы (OH)^1- и гидролиз связаны с образованием гидрооксидов, основных и кислых солей. Она способствует форми­рованию гидрогелей в природе, протеканию метаморфических про­цессов и, в частности, перекристаллизации минеральных веществ. В них она удерживается как конституционная, прочно связанная с кристаллической решеткой минерала в виде ионов OH^- и H⁺ (напри­мер, талька, серпентина, брусита, каолинита и др.), а также в виде нестойкого иона оксония H₃O¹⁺, от которого легко отщепляется H₂O с выделением H. Вода удерживается еще и как кристаллизационная в виде молекул H₂O, что является следствием гидратации с образованием кристаллогидратов (например, Na₂SO₄∙7H₂O∙CaSO₄∙2H₂O и др.). К этому же типу относится и цеолитная вода, располагающаяся в пустотах кристаллов минералов группы цеоли­тов — водных алюмосиликатов, главным образом Ca и Na (напри­мер, шабазит, нитролит и др.). Удерживается вода и как адсорбци­онная, молекулы которой физико-химически и механически притягиваются многими минералами под влиянием поверхностной энергии. Такая вода типична для силикатов со слоистой структурой (например, в монтмориллоните и др.).

Вода имеет огромное значение и в органическом мире, в частно­сти, в произрастании лесов как потенциального вида строительной древесины, в развитии растений. Наконец, вода служит неотъемле­мым компонентом при производстве строительных материалов, из­делий и конструкций.

Водяной пар — газообразное состояние H₂O. В природе и, в ча­стности, в минералах и горных породах встречается значительно реже. Поэтому водяной пар рассматривается в соответствующих главах настоящей книги только в связи с определенными технологи­ями, например производством автоклавных силикатных материалов и изделий.

Карбонаты являются солями угольной кислоты и широко рас­пространены как породообразующие компоненты осадочных и ме­таморфических пород. Основой кристаллической структуры карбо­натов служат плоские комплексные анионы (CO₃)^2-, которые, связываясь друг с другом, образуют цепочечные, слоистые или кар­касные структуры. В кристаллических решетках они участвуют как самостоятельные элементы, не распадающиеся даже при растворе­нии минерала. Наиболее распространенными являются кальцит, магнезит, доломит, натрит.

Кальцит CaCO₃ — кристаллический минерал ромбоэдрической, пластинчатой формы, бесцветный или молочно-бурой окраски с различными оттенками, стеклянным блеском, низкими твердостью (3) и плотностью (2,6—2,8 г/см³), совершенной спайностью по трем направлениям и ровным изломом. Кальцит слабо растворим в воде, но под влиянием углекислоты, часто содержащейся в воде (например, грунтовой), переходит в бикарбонат кальция: CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂, который растворяется в воде примерно в 100 раз легче, чем сам кальцит. Поэтому породы, со­держащие кальцит, быстро разрушаются при контакте с водой, на­сыщенной углекислотой.

Кальцит легко распознается по реакции «вскипания» под дейст­вием разбавленной соляной кислоты, которая вызывается бурным выделением углекислого газа и служит простым приемом распозна­вания карбонатных пород. В природе кальцит встречается в виде кристаллических агрегатов, друз (сростков), натеков, но преимуще­ственно распространен в виде мощных отложений известняков, мра­мора и др. Условия его образования разнообразны и, в основном, связаны с накоплением известняковых илов — продуктов жизнедея­тельности растительных и животных организмов в морских бассей­нах (органогенные известняки), а также с отложением, под влиянием коагуляции, коллоидных растворов углекислой извести в виде тон­ких пленок на поверхности частиц, взвешенных в движущейся воде (химические известняки). Месторождения различных видов кальци­та, а также разнообразных карбонатных пород — мела, мрамо­ров _ встречаются в Карелии, на Украине, в Донбассе, на Урале и др. Они являются ценным поделочным материалом, сырьем для производства цемента, извести, огнеупоров и т. п.

Магнезит (MgCO₃) по структуре и форме кристаллов сходен с кальцитом, но распространен в природе значительно реже. Окра­шен в белый цвет с желтоватым или сероватым оттенком, имеет стеклянный блеск, среднюю твердость (4—4,5) и невысокую плот­ность (2,9—3,0 г/см³), а также совершенную спайность по ромбоэд­ру. В отличие от кальцита при воздействии НС1 реакции вскипания не обнаруживает. Образуется магнезит преимущественно под влия­нием горячих магнезиальных растворов на известняк и при вывет­ривании магнезиальных силикатов (серпентинитов). В природе встречается в виде сплошных мраморовидных (кристаллических) и плотных (аморфных) масс, которые имеют большое промышленное значение, особенно при производстве высокоогнеупорных изделий (см. гл. 17).

Доломит [Ca, Mg(CO₃)₂] в структурном отношении сходен с ка­льцитом. Окрашен в белый или серовато-белый/цвет со стеклянным блеском, имеет среднюю твердость (3,5—4), невысокую плотность (1,8—2,9 г/см³), совершенную спайность и ступенчатый излом. Вски­пает с холодной НС1 только в порошке. Доломит широко распро­странен в природе как породообразующий компонент доломитов и доломитизированных известняков.

Натрит Na₂CO₃∙10H₂O — бесцветный или окрашенный в белый цвет минерал со стеклянным блеском, небольшими твердостью —1,5), плотностью (1,4—1,5 г/см³) и несовершенной спайностью. CHCl обнаруживает бурную реакцию вскипания. При нагревании растворяется в собственной кристаллизационной воде. Он образует­ся в некоторых соляных озерах, богатых натрием, при избытке рас­творенного CO₂. Применяется при производстве стекла, в металлур­гии и др. Обычно встречается в виде плотных и зернистых масс. Содовые месторождения распространены в Восточной Сибири, Ка­захстане и др.

Сульфаты — соли серной кислоты, образующиеся в поверхност­ных слоях земли. Среди представителей этого класса имеется мало соединений, достаточно устойчивых в земной коре. Основой струк­туры сульфатов являются тетраэдрические анионные группы (SO₄)^2-, которые, связываясь друг с другом с помощью различных катионов, молекул воды и др., образуют разнообразные островные, каркас­ные, цепочечные, слоистые структуры. Сульфаты характеризуются невысокой твердостью и прочностью, высокой спайностью, светлой окраской. Для строительных целей используют ангидрит, гипс, ба­рит и мирабилит.

Ангидрит CaCO₄ встречается в виде сплошных зернистых масс и является кристаллическим минералом голубовато-белого цвета со стеклянным блеском, имеет невысокую твердость (3—3,5), плот­ность около 3 г/см³, совершенную спайность и листоватый излом. Легко присоединяет в природных условиях воду, переходя в гипс с сильным (до 30%) увеличением объема. Является породообразую­щим компонентом в породах одноименного названия (см. 8.3).

Гипс CaCO₄∙2H₂O — кристаллический минерал, обычно слага­ющий в природе огромные мраморовидные скопления гипсовых по­род. Он имеет белый цвет с разнообразными оттенками, малую твердость (1,5—2), низкую плотность (2,3 г/см³), весьма совершен­ную спайность и листоватый излом, отличается хрупкостью. Раство­рим в воде (одна часть гипса на две части воды) с максимумом рас­творимости при температуре 37—38°С и понижением ее до минимума при 107°С и выше, что объясняется образованием нового соединения — полугидрата CaCO₄∙0,5H₂O. В генетическом отноше­нии гипс относится к типичным химическим осадкам и образуется в высыхающих участках моря. Вместе с ангидритом его используют для получения вяжущих веществ (см. 9.1.3),

Барит (тяжелый шпат) BaSO₄ — весьма распространенный после ангидрита минерал с таблитчатой формой кристаллов. Он образует грубозернистые плотные массы белого и серого цвета со стеклян­ным блеском, невысокой твердостью (2,5—3,5), совершенной спай­ностью, неровным изломом и характерной для него хрупкостью. Отличается слабым пропусканием активных лучей (γ-лучи, рентге­новские и др.), вследствие чего используется для производства спе­циальных бетонов. Образуется выпадением из горячих водных рас­творов, а также осаждением в виде нерастворимого сульфата бария в прибрежных участках моря. Барит применяют для производства специальных стекол, керамических эмалей, пластмасс, высокосорт­ных красок. Месторождения его находятся на Урале, в Грузии, Тур­кмении, Казахстане, на Алтае.

Мирабилит Na₂SO₄∙10H₂O содержит свыше 55% кристаллиза­ционной воды, с которой связаны многие его свойства. Он образует бесцветные и прозрачные хрупкие кристаллы малой твердости (1,5—2) и низкой плотности (1,48 г/см³) с совершенной спайностью. Легко растворяется в воде, но также легко ее отдает в условиях су­хой среды, превращаясь в безводный белый порошок. Является ми­нералом химического генезиса (залив Кара-Богаз-Гол). При темпе­ратуре 32°С растворяется в собственной кристаллизационной воде, а при взаимодействии с НС1 не обнаруживает реакции «вскипания», чем и отличается от похожей на него соды. Используется в стеколь­ной, химической промышленности (сода, краски и др.). Промыш­ленными месторождениями являются Кара-Богаз-Гол (Каспий), озе­ра Северо-Восточного Казахстана, Северный Кавказ, Крым.

Сульфиды являются соединениями серы с другими элементами, в том числе с железом. Кристаллическая решетка их построена иона­ми серы, в промежутках между которыми располагаются атомы или ионы металлов с ионной или ковалентной связью. Среди .сульфидов следует отметить пирит. FeS₂, встречающийся в виде хорошо образо­ванных кристаллов и больших зернистых скоплений — колчедан­ных залежей, а также вкраплений в многочисленных породах и т. д. ) Цвет пирита в свежем изломе золотисто-желтый, блеск металличе­ский; отличается высокой твердостью (6—6,5), средней плотностью (4_;9—5,2 г/см³) и несовершенной спайностью. Он является самым распространенным сульфидом в земной коре и вместе с тем химиче­ски неустойчивым соединением на ее поверхности, где легко гидролизуется с образованием гидроксидов и серной кислоты, которая способствует быстрому разрушению пород. Пиритовые руды слу­жат сырьем для получения серной кислоты, причем побочный про­дукт этого производства, пиритовые огарки, используют в техноло­гии производства портландцемента, а также для получения красок или в качестве железной руды.

К представителям этого же класса относится киноварь HgS, хрупкий минерал красного цвета с сильным полуметаллическим блеском, невысокой твердостью (2—2,5). Она имеет высокую плот­ность (8,09—8,2 г/см³), не проводит электричества. Киноварь обра­зуется исключительно как низкотемпературный гидротермальный минерал, связанный с молодыми вулканическими районами, где она встречается в виде пластовых залежей и жил; на поверхности земли устойчива и поэтому накапливается в россыпях. Применяется для приготовления красок, но главным образом служит сырьем для по­лучения ртути. Месторождения киновари известны в Донбассе, на Кавказе, в Средней Азии и Западной Сибири.

Самородные минералы имеют практическое значение в виде шунгита, представляющего собой аморфный углерод C, образовавший­ся в результате природного коксования угля при метаморфизме оса­дочных пород, содержащих пропластки органических остатков, в том числе каменного угля, битума и др. От графита отличается бо­льшими твердостью (3—4), плотностью и раковистым изломом. Цунгит инертен по отношению к агрессивным средам, электро- и теплопроводен; способен вспучиваться при температуре обжига 110°С, образуя легкое пористое вещество. Входит в состав шунгитовых сланцев.