close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kuksa Gornye porody

код для вставкиСкачать
П. Б. КУКСА
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ – ПРИРОДНЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
П. Б. КУКСА
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ – ПРИРОДНЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2017
0
1
УДК 691.2 (075.8)
Рецензенты: канд. техн. наук, доцент О. М. Смирнова (СПбГУПС);
д-р техн. наук, профессор А. М. Харитонов (СПбГАСУ)
Кукса, П. Б.
Горные породы – природные строительные материалы: учеб. пособие / П. Б. Кукса; СПбГАСУ. – СПб., 2017. – 42 с.
ISBN 978-5-9227-0814-2
Отмечено большое значение горных пород для строительства. Приведена и подробно рассмотрена генетическая классификация горных пород. Рассмотрены состав и свойства основных породообразующих минералов. Дана характеристика наиболее распространенных горных пород, определяющая их практическую значимость и область применения. Показана
взаимосвязь свойств горных пород с условиями их образования и составом.
Приведены примеры использования горных пород в строительной практике. Рассмотрены фактуры обработанного природного камня и способы их
получения. Изложены способы защиты природных каменных материалов
от выветривания.
Предназначено для студентов направления подготовки 08.03.01
«Строительство» всех форм обучения.
Табл. 4. Ил. 5. Библиогр.: 14 назв.
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0814-2
© П. Б. Кукса, 2017
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2017
2
ВВЕДЕНИЕ
Современные гипотетические представления о глубинном
устройстве Земли, составленные по результатам сейсмических исследований, таковы. В центре Земли находится твердое металлическое ядро. Оно облекается внешним ядром того же состава, но
жидким (расплавленным). Далее по направлению от центра к периферии следует твердая мантия, которая разделена не очень отчетливой границей на две части: нижнюю и верхнюю. В верхней
мантии на глубине 100…120 км от поверхности Земли находится
астеносфера – зона частичного плавления, имеющая толщину
150…250 км. Ученые считают, что именно она ответственна за
многие геологические процессы: тектонические движения земной
коры, перемещение расплавов и др.
Выше астеносферы располагается литосфера, которая объединяет верхнюю часть мантии и земную кору. Граница между корой и мантией установлена уверенно по поверхности раздела, характеризующейся перепадом скоростей распространения сейсмических волн. Эта граница в океанах находится на глубинах 5…10 км,
а на континентах – на глубинах в среднем 50 км. Геологи называют среднюю толщину земной коры, равную 16 км.
Земная кора, как полагают, состоит из нижнего «базальтового
слоя» (скорость распространения в нем сейсмических волн такая
же, как в базальтах); выше располагается «гранитный слой», тоже
названный условно по совпадению скоростей распространения
волн с типовыми гранитами. Самую внешнюю оболочку Земли образует «осадочный слой».
Мощность земной коры ничтожно мала – ее толщина составляет всего 1/200 радиуса Земли. Осадочная внешняя оболочка еще
тоньше. Она сопоставима со слоем пыли на поверхности футбольного мяча. Тем не менее, именно земная кора является основным
источником природных каменных материалов.
Горные породы, добываемые в земной коре, являются, наряду
с древесиной, самыми древними естественными строительными
материалами. Они используются в строительстве и самостоятельно, и в качестве сырьевых материалов.
3
Самостоятельное использование горных пород сопровождается чаще всего их предварительной обработкой с целью придания
изделиям требуемой формы, нужных размеров и фактуры лицевой
поверхности. Так получают штучный природный камень. Штучный камень имеет разнообразное применение в строительстве.
Он употребляется для кладки и облицовки стен, цоколей, при
устройстве перемычек, сводов, мостовых опор, для облицовки
набережных, при мощении тротуаров, съездов, пандусов, в виде
бортовых камней, лестничных ступеней, подоконных плит, плинтусов, карнизов, изделий для кровли (см. приложение).
В качестве сырьевых материалов горные породы применяются после механического измельчения (дробление, помол). В одних
случаях измельченная порода (в виде щебня, песка, порошка, муки) является компонентом сложной смеси, не изменяя существенно своего первозданного состава и состояния. Примерами такого
применения являются заполнители в бетонах и строительных растворах, наполнители в мастиках, пластмассах, красках и т. п.
В других случаях измельченная порода индивидуально или в составе многокомпонентной смеси подвергается такой технологической переработке, при которой она частично или полностью переходит в совершенно иное вещество, с новым химическим составом, агрегатным состоянием, техническими характеристиками.
На этом основано получение минеральных вяжущих веществ,
строительной керамики, стекла, минерального и стеклянного волокна и т. п. Более подробно сведения о горных породах, применяемых в качестве сырьевых материалов, рассматриваются в соответствующих разделах курса «Строительные материалы».
Горные породы, таким образом, являются главнейшим сырьевым ресурсом строительства, а земная кора – основным источником их получения. Стремительное развитие промышленного производства приводит к истощению земной коры. Человек должен
бережно и рачительно относиться к горным породам – природным
строительным материалам.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО
ПРОИСХОЖДЕНИЮ (ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ)
Горные породы образовались в земной коре в результате геологических процессов. Под геологическими процессами понимаются очень медленные процессы формирования Земли, протекавшие на протяжении многих миллионов лет. Процессы образования
горных пород не остановились, они продолжаются.
Горные породы представляют собой скопления минеральных
масс (природные минеральные агрегаты), состоящие из одного или
нескольких породообразующих минералов и образующие самостоятельное тело в земной коре. Горные породы не имеют строго
определенных состава, строения и свойств, но, в то же время,
встречаясь в разных местах, на разных глубинах земной коры, одноименные горные породы обладают одинаковыми признаками, по
которым их можно распознавать. Эта их особенность объясняется
условиями образования и минеральным составом.
Горные породы занимают в земной коре значительные объемы, образуя месторождения. В зависимости от генезиса (греч. genesis – происхождение, возникновение) горные породы разделяются
на три класса: магматические (первичные), осадочные (вторичные)
и метаморфические (измененные).
Магматические породы1 образовались путем отвердевания
застывающей в различных условиях магмы. Магма (в переводе
с древнегреческого – тесто) представляет собой огненно-жидкую
расплавленную массу весьма сложного химического состава.
Находясь в недрах Земли под большим давлением, магма стремится вырваться наружу через разрывы в земной коре. При подходе
к поверхности происходит охлаждение и отвердевание магмы.
Отвердевание магмы в виде больших массивов привело к происхождению массивных пород. Причем застывание застрявших
в поверхностных глубинах земной коры массивов магмы заканчи1
Магматические породы часто называют изверженными породами. Название «изверженные породы» не вполне точно отражает происхождение: в этот класс включаются породы, не
только изверженные вулканами, но и закристаллизовавшиеся из магмы в глубинах Земли.
4
5
валось возникновением массивных глубинных пород, а при остывании излившихся на земную поверхность мощных и объемных
сплошных потоков расплава образовывались массивные излившиеся породы (рис. 1).
ванные породы. Природные связующие вещества, иначе – природные цементы, могут образовываться из составных частей обломочных пород путем разложения или растворения. Они также могут привноситься в накопления рыхлых пород ветром, грунтовыми
водами, атмосферными осадками.
Все перечисленные природные процессы можно вместить
в схему, представленную на рис. 2.
Магма извергалась из недр
Земли сплошными массивами
Рис. 1. Схемы образования массивных магматических пород:
а – глубинных; б – излившихся
Так как одинаковая магма могла и отвердевать в глубине
земной коры, и изливаться на поверхность, то каждой глубинной
породе соответствует аналогичная (по химическому составу) излившаяся порода. В то же время разная скорость остывания –
в глубине магма остывает медленно, на земной поверхности сравнительно быстро – отражается на различии структурных особенностей
массивных глубинных и массивных излившихся горных пород.
При извержениях вулканов происходит выброс магмы под
большим давлением в раздробленном и распыленном виде. Быстро
остывающие частицы и куски (напрашивается сказать – «обломки») выбрасываемого расплава образуют обломочные (кластические) горные породы. Они откладываются вблизи вулканов и переносятся порой на значительные расстояния с помощью «природного транспорта» (ветра, воды), создавая месторождения
обломочных рыхлых пород.
В процессе отложения и накопления такие породы очень часто слеживаются, уплотняются, пропитываются каким-либо природным связующим веществом и, в конце концов, превращаются
в сплошные монолитные массы, образуя новую разновидность
природных минеральных агрегатов – обломочные сцементиро6
Магма, находящаяся внутри земного
шара, – источник образования магматических горных
пород
Магма застряла и застыла в
глубинных
слоях земной
коры
Массивные глубинные породы:
гранит, сиенит,
диорит, габбро
Магма излилась и застыла
на поверхности Земли
Массивные излившиеся породы:
порфир, трахит,
андезит, диабаз,
базальт
Застывшие
обломки выброшенной
магмы отложились в
рыхлом виде
Обломочные рыхлые породы: вулканический пепел, вулканический песок,
пемза
Рыхлые обломки подверглись
слеживанию и
естественной
цементации
Обломочные сцементированные
породы: вулканический туф
Магма извергалась на земную поверхность в раздробленном и
распыленном
виде
Рис. 2. Схема образования магматических горных пород
7
Осадочные (вторичные) горные породы образовывались
в процессе выветривания (разрушения) первичных пород, залегающих на земной поверхности. Выветривание происходит под воздействием разнообразных природных факторов: воды, ветра, атмосферных газов, перемены температуры, растительных и животных
организмов и т. п. Такое длительное воздействие факторов окружающей среды приводит к разрыхлению и разрушению первичных
пород. Здесь следует иметь в виду, что выветривание не сводится
к простому механическому разрушению пород. При выветривании
часто происходят глубокие перерождения составных частей горных пород за счет растворяющего, гидролитического действия воды, участия в химических процессах различных атмосферных газов, органических и неорганических кислот и т. д. Такое комплексное воздействие природных факторов может привести
к тому, что из одной первичной горной породы образуются несколько вторичных пород. Например, гранит (первичная порода)
под влиянием колебаний температуры и действия воды, содержащей углекислоту, разрушается с образованием щебня, песка и глины. Щебень, песок и глина – это отдельные осадочные горные породы (вторичные породы).
Возникшие обломки разных размеров (от мельчайших частиц
до крупных кусков) переносятся ветром, льдом и, главным образом, водой в другие места, где осаждаются, постепенно накапливаясь (отсюда – «осадочные породы»). Образование осадков может
также происходить и на месте разрушения первичных пород. Характерным внешним признаком вторичных горных пород является
слоистость их строения, объясняемая послойным накоплением
осаждающихся продуктов выветривания. При этом происходит
своеобразная сортировка материала по крупности зерен, по их
плотности. Так формируются месторождения осадочных пород.
В одном варианте вода переносит нерастворимые обломки
механически, увлекая их, удерживая мелкие частицы во взвешенном состоянии и перекатывая крупные по дну потока (обломки
при этом приобретают окатанную форму). Тогда, осаждаясь в местах замедленного течения, продукты выветривания образуют месторождения обломочных (механических) осадочных горных пород. Обломочные породы преобладают среди осадочных пород.
Иногда их толщи достигают 10 и более километров.
В другом варианте вода переносит продукты выветривания
в растворенном виде (в виде истинных и коллоидных растворов).
В этом случае при испарении воды в закрытых водоемах, полузамкнутых заливах или при образовании в результате химических
реакций менее растворимых соединений происходит выпадение
растворенного вещества в осадок с образованием химических
осадочных горных пород.
В третьем варианте, когда водным потоком переносятся и нерастворимые, и растворенные продукты выветривания, при осаждении могут образовываться тесные природные смеси разных
компонентов. Образовавшиеся таким путем горные породы можно
отнести и к группе механических, и к группе химических осадков
в зависимости от преобладания того или иного компонента.
Осажденные обломки могут долгое время находиться в рыхлом состоянии, представляя обломочные рыхлые осадочные горные породы. Но очень часто они под давлением выше отлагающихся слоев уплотняются и, пропитываясь природным цементом,
превращаются в сплошную монолитную массу. Так образуются
обломочные сцементированные осадочные горные породы. Вид
природного цемента существенно влияет на свойства сцементированной породы. Наиболее часто встречаются следующие виды
природных цементов: кремнистый, карбонатный, железистый,
фосфатный, глинистый.
В образовании осадочных горных пород принимает также
участие живой, органический мир. Жизнедеятельность отдельных
низших животных и растительных организмов сопровождается избирательным поглощением из водных растворов и переработкой
определенных минеральных веществ. Такие вещества концентрируются в панцирях, раковинах, скелетах животных (моллюски, кораллы-полипы, радиолярии, губки и т. п.) и скелетах водорослей
(диатомеи, сине-зеленые водоросли). Погибая, отмирая, останки
живых организмов в виде ила накапливаются на дне водоемов.
В дальнейшем илистые минеральные осадки слеживаются, перекристаллизовываются, превращаясь в органогенные осадочные
горные породы. Если такие породы произошли в результате жизнедеятельности животных организмов, их называют зоогенными,
растительных – фитогенными.
8
9
Образование осадочных горных пород иллюстрирует схема,
приведенная на рис. 3.
Первичные
породы –
источник образования
осадочных
горных пород
Органический
мир – источник образования осадочных горных пород
Перенесенные и
оставшиеся на
месте выветривания обломки
отложились в
рыхлом виде
Обломочные рыхлые породы:
глина, песок,
щебень,
гравий,
валуны
Рыхлые обломки
подверглись
слеживанию и
природной цементации
Обломочные сцементированные
породы: песчаник, конгломерат, брекчия
Перенесенные
растворенные
продукты выветривания выделились из воды в осадок
Химические
породы: гипс,
ангидрит,
известковый туф,
доломит, магнезит
Простейшие
животные
поглощают и
накапливают
минеральные
вещества
Отмершие животные микроорганизмы скопились в местах
обитания
Органогенные зоогенные породы:
известнякракушечник,
мел
Водоросли
поглощают и
накапливают
минеральные
вещества
Отмершие водоросли скопились
на дне водоемов
Органогенные
фитогенные
породы:
диатомит,
трепел
Первичные
породы выветрились с
образованием
различных
продуктов
Рис. 3. Схема образования осадочных горных пород
10
Метаморфические (измененные) горные породы образуются
и залегают в глубинах земной коры. Они также слагают мантию
Земли.
Изменения (метаморфизм) происходят в породах в тех случаях, когда меняются условия и породы попадают в обстановку, отличную от той, в которой они образовались: повышаются давление
и температура, появляется воздействие различных растворов
и проникающих в поры газов. Новые внешние условия возникают
при погружении пород на глубину в процессе образования складок, разломов. Метаморфизму подвергаются все породы: магматические, осадочные, метаморфические.
Метаморфические превращения имеют очень сложный характер. Они зависят от химического и минерального состава исходных пород, наличия в зоне метаморфизма воды и минерализованных растворов, глубины погружения, наличия контакта с расплавленными массами и т. п. Не рассматривая всех механизмов
превращений, можно считать, что при метаморфизме изменения
в породах происходят чаще путем перекристаллизации породообразующих минералов в твердом состоянии, без плавления. При
этом упрощенно будем представлять, что при изменении строения
породы ее основной состав не меняется. Например, известняк
(CaCO3), образовавшийся на поверхности Земли химическим или
органогенным путем, попав в толщу земной коры, претерпевает
перекристаллизацию. При этом из серого известняка изгоняются
примеси углистого вещества и порода превращается в белоснежный кристаллический мрамор (CaCO3).
Большинству метаморфических пород свойственно формирование сланцеватой или параллельно-слоистой структуры. Для этих
структур характерно ориентированное расположение зерен минералов, вытянутых в направлении, перпендикулярном давлению
вышележащей массы. Механизм «сплющивания» зерен минералов
состоит в следующем. На одних участках (со стороны действующего давления) кристаллы растворяются, а на других, где нет препятствий для роста кристаллов, нарастают. Так происходит своеобразное «растекание» минеральных зерен, и порода приобретает
слоистость, сланцеватость.
В свете вышеизложенного отметим, что в природе существуют пары горных пород, в которых одна порода является исходной
11
(материнской), другая измененной, метаморфизованной (дочерней). Назовем наиболее интересные для строителей такие пары
горных пород: гранит – гнейс, известняк – мрамор, песчаник –
кварцит, глина – глинистый сланец.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ГОРНЫХ ПОРОД
Практическая ценность и область применения горных пород
определяются их строением, химическим и минеральным составами, физическими и механическими характеристиками. Декоративность горной породы, в необходимых случаях, оценивают по показателям полируемости, цвета, рисунка.
2.1. Строение горных пород
Строение выражается структурой и текстурой горной породы. Структура – это строение горной породы мелкого масштаба,
характеризующееся тремя основными признаками: степенью кристаллизации, размером и формой зерен породообразующих минералов, взаимным отношением составных частей. Для выявления
структурных признаков горных пород часто требуется увеличение.
Текстура – зрительно воспринимаемый характер поверхности камня крупного масштаба, обусловленный ориентацией, относительным расположением в пространстве и распределением составных
частей породы. Текстура – это своеобразный рисунок камня.
В геологии известно более 1000 различных видов структур
и текстур горных пород. Рассмотрим взаимосвязь строения горных
пород с условиями их образования.
Глубинные магматические породы сформировались в процессе медленного остывания магмы в глубине земной коры. Для них
типичны полнокристаллические структуры, при которых все вещество породы полностью закристаллизовано. При этом в зависимости от химического состава магмы и условий затвердевания могут возникать равномерно-зернистые и неравномерно-зернистые
(порфировидные) структуры. Равномерно-зернистая структура характеризуется равномерным распределением приблизительно одинаковых по размеру зерен слагающих минералов. Наиболее ярко
такая структура проявляется в граните (название «гранит» происходит от латинского слова granum – зерно). Порфировидной называется такая структура, при которой в общей, так называемой ос-
12
13
новной массе наблюдаются разные по форме и величине отдельные
крупные зерна минералов-вкрапленников размером более 20 мм.
Примером гранитов с порфировидной структурой является гранит
рапакиви, в котором выделяются вкрапления полевого шпата
овальной формы больших размеров (рис. 4).
Рис. 4. Гранит с равномерно-зернистой (слева)
и порфировидной (справа) структурой
В зависимости от размеров зерен породообразующих минералов различают также крупнозернистые структуры с размером
зерен от 10 до 20 мм, среднезернистые – от 5 до 10 мм и мелкозернистые – от 1 до 5 мм. Чем медленнее остывала магма, тем более
крупные зерна минералов образовывались в процессе кристаллизации.
Текстуры глубинных магматических пород бывают в большинстве случаев массивными (однородными): зерна минералов
располагаются хаотично и не имеют в пространстве какого-либо
определенного направления.
Излившиеся магматические породы образовались при сравнительно быстром остывании магмы на поверхности Земли.
Структуры излившихся пород более разнообразны. В толще больших массивов излившейся магмы образуются полнокристаллические
структуры, чаще тонкозернистые с размером зерен от 0,1 до 1 мм.
По краям массивов или в массивах небольших объемов, а также
в отдельных кусках и обломках выбрасываемого расплава формируются горные породы со скрытозернистыми (размер зерна менее
0,1 мм), стеклозернистыми или стекловатыми структурами. В по14
следних преобладает аморфное вещество – стекло. Излившимся
породам также присущи порфировые структуры.
Бóльшая часть излившихся пород имеет массивную текстуру.
Однако встречаются и другие виды текстур, например полосчатая,
пористая, пузыристая.
Осадочные обломочные породы состоят их зерен разной величины и формы. Зерна могут быть угловатые или окатанные (полуокатанные). Структура зерен повторяет структуру первичных
пород, из которых они образовались путем выветривания. В одних
случаях зерна обломочных пород лежат свободно, не скрепляясь
друг с другом, в других – они в разной степени скреплены природным цементом (кремнеземом, карбонатами, глиной и проч.).
Осадочные химические и органогенные породы образовались
путем накопления и последующей перекристаллизации выпадающих в осадок солевых кристаллов или отмерших животных и растительных организмов. Структурными элементами таких пород
являются кристаллические зерна минералов и аморфная часть,
представленная природным цементом и примесями. В органогенных породах встречаются, кроме того, сохранившиеся органические остатки, например, ракушки – в известняке-ракушечнике.
Среди текстур осадочных горных пород наиболее распространены массивная и слоистая. При слоистой текстуре, образованной чередованием слоев, отдельные прослойки могут отличаться составом и размером частиц.
Метаморфические горные породы образовались в толще земной коры в результате перекристаллизации в твердом состоянии
(метаморфизма) первичных пород. Перекристаллизация в условиях высокой температуры, давления и деформаций приводит к появлению у метаморфических пород специфичных структурных
признаков: зерна минералов имеют неправильную форму (приплюснутые), ориентация зерен в одном направлении, сланцеватость. Последняя характеризуется тем, что горная порода при ударе сравнительно легко распадается на тонкие листы, пластины,
плитки. Эту особенность метаморфических пород используют при
получении каменной черепицы. Сланцеватость в наибольшей степени присуща сланцам.
Метаморфические преобразования отражаются и на текстурных признаках горных пород. Видоизмененные породы могут
15
приобретать полосчатую текстуру, отличающуюся хаотичным чередованием разноцветных бесформенных полос. Такие породы получают выразительный архитектурно-художественный эффект, что
используется в облицовочных изделиях из природного камня.
Например, на рис. 5 показан мрамор, имеющий полосчатую текстуру.
ский состав обломочных осадочных пород может быть сложным,
близким к составу магматических пород (глины). Химический состав влияет на стойкость камня против выветривания (разрушения), т. е. на долговечность. Химический состав горных пород
имеет большое значение в тех случаях, когда породы используются в качестве сырьевых компонентов или добавок в технологиях
строительных материалов. С химическим составом горных пород
непосредственно связан их минеральный состав.
Таблица 1
Разделение важнейших магматических горных пород
по содержанию SiO2
Содержание SiO2,
%
Тип горных пород
65–75
Рис. 5. Мрамор с полосчатой текстурой
Отдельные метаморфические породы (кварциты, мраморы)
имеют массивную текстуру.
Горные породы
глубинные
излившиеся
Кислые
Граниты
Кварцевые
порфиры
52–65
Средние
Сиениты,
диориты
Трахиты,
андезиты
40–52
Основные
Габбро
Диабазы,
базальты
2.2. Химический и минеральный состав горных пород
В земной коре на долю кислорода, кремния и алюминия приходится 82 % массы, а суммарная масса таких химических элементов, как O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, H, Cl, Ti, C, составляет больше
99 % массы земной коры.
Химический состав горных пород складывается из наиболее
распространенных в земной коре оксидов: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO,
MgO, Na2O, K2O, H2O. По содержанию SiO2 типичные магматические породы подразделяются на группы, представленные в табл. 1.
Чем выше содержание кремнезема, тем кислее и светлее горная
порода.
Химические и органогенные породы, учитывая их генезис,
в отличие от остальных пород, имеют (без учета примесей) несложный химический состав, выражаемый простой химической
формулой. Например, состав чистого известняка можно выразить
формулой CaCO3, гипса – CaSO4 · 2H2O. В то же время химиче16
Составной частью любой горной породы является один или
несколько породообразующих минералов. В первом случае порода
называется мономинеральной, во втором – полиминеральной.
Наряду с главными, в составе горной породы могут встречаться
примесные, второстепенные минералы, доля которых незначительна. Минералы, являющиеся главными для одних пород, могут
оказаться второстепенными для других пород.
Минерал – это однородное по составу, строению и свойствам
природное тело, образовавшееся в земных условиях в результате
различных физико-химических процессов2. Специалистам известно более 2000 минералов, но только около 300 широко распространены и имеют практическое значение. Еще меньшее число
минералов являются господствующими, породообразующими. Все
минералы различаются по своим свойствам. Очевидно, что строи2
Минералы могут быть также синтезированы в лабораторных или заводских условиях.
17
тельные свойства горной породы зависят от того, какие минералы
и в каком количестве входят в ее состав. Рассмотрим породообразующие минералы.
Основные породообразующие минералы магматических горных пород: кварц и его разновидности, полевые шпаты, железистомагнезиальные силикаты, слюды.
Кварц состоит из кремнезема (SiO2), является одним из
наиболее распространенных в земной коре минералов. Известны
следующие разновидности кварца: кристаллические – горный хрусталь (водяно-прозрачный, бесцветный), аметист (фиолетовый),
раухтопаз (дымчатый, прозрачный), морион (черный), цитрин (лимонно-желтый), молочный кварц (белый, непрозрачный); скрытокристаллические – халцедон, агат, сердолик.
Кварц обладает следующими свойствами: истинная плотность – 2,65 г/см3, твердость по шкале Мооса равна 7, предел
прочности при сжатии может достигать 2000 МПа, при изгибе – до
100 МПа. Кварц хрупок, не обладает спайностью3. Весьма характерна для кварца его высокая химическая стойкость. При обычных
условиях он не реагирует со всеми кислотами, кроме плавиковой
(HF), со щелочами вступает в реакцию только при нагревании. Совокупность вышеназванных свойств обеспечивает минералу его
высокую долговечность, благодаря которой кварц, не выветриваясь при разрушении кварцсодержащих пород, переходит в состав
осадочных пород. Кристаллический кремнезем имеет шесть полиморфных модификаций, устойчивых при разных температурах.
В процессе нагревания устойчивый в нормальных условиях βкварц при температуре 573 °С скачкообразно переходит в α-кварц.
Полиморфное превращение сопровождается увеличением объема
на 5,16 %. Такое расширение может привести к разрушению
кварцсодержащих горных пород при пожаре или неправильной
эксплуатации. Кварц плавится при температуре 1710 °С.
Полевые шпаты – это группа минералов, близких по свойствам и являющихся алюмосиликатами щелочных или щелочноземельных металлов. Полевые шпаты – самые распространенные
минералы, составляющие до 60 % земной коры. Они обнаружены
даже в лунном грунте.
Полевые шпаты делятся на две группы: ортоклазы (прямораскалывающиеся) и плагиоклазы (косораскалывающиеся). Первая
группа включает ортоклаз и микроклин (K2O · Al2O3 · 6SiO2), вторая группа состоит из изоморфного ряда минералов от альбита
(Na2O · Al2O3 · 6SiO2) до анортита (CaO · Al2O3 · 2SiO2).
Истинная плотность полевых шпатов изменяется от 2,5 г/см3
до 2,76 г/см3, твердость составляет 6…6,5 единицы по шкале Мооса, прочность при сжатии – 120…170 МПа. Полевые шпаты –
хрупкие минералы, обладающие совершенной спайностью.
По сравнению с кварцем полевые шпаты легко выветриваются
в природных условиях. Разрушение происходит под действием воды, содержащей углекислоту. В результате выветривания полевые
шпаты превращаются в каолинит (глинистый минерал), в кальцит.
Процесс выветривания на примере ортоклаза иллюстрируется следующей химической реакцией:
K2O · Al2O3 · 6SiO2 + nH2O + CO2 =
ортоклаз
= Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O + K2CO3 + 4SiO2 · mH2O.
каолинит
3
Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным
плоскостям с образованием зеркально-гладких поверхностей.
Полевые шпаты плавятся при температуре 1118…1550 °С.
Благодаря своей легкоплавкости полевые шпаты являются универсальными плавнями в технологии строительной керамики.
Железисто-магнезиальные силикаты представлены несколькими группами сложных по составу минералов, являющихся силикатами кальция, магния, железа и щелочей. Одной из внешних
особенностей железисто-магнезиальных силикатов является их
темная окраска (бурая, темно-зеленая, черная), из-за которой их
называют темноокрашенными минералами. Различают следующие
группы темноокрашенных минералов: оливин, пироксены, амфиболы.
Из первой группы наиболее распространены в природе оливин, форстерит, фаялит. Они имеют истинную плотность от 3 до
3,5 г/см3, твердость 6,5…7 единиц по шкале Мооса, хрупкие, обладают несовершенной спайностью. В природных условиях оливин
легко разлагается.
18
19
Пироксены и амфиболы – две группы сходных между собой
минералов, каждая из которых насчитывает по несколько представителей. Среди пироксенов наиболее известным минералом является авгит, а среди амфиболов – роговая обманка. Пироксены
и амфиболы имеют истинную плотность 3…3,6 г/см3, обладают
твердостью 5…6 единиц по шкале Мооса, совершенной спайностью по двум направлениям. Прочность при сжатии высокая:
300…400 МПа. В качестве технического достоинства следует отметить значительную ударную вязкость рассматриваемых минералов. Кроме того, пироксены и амфиболы в сравнении с полевыми
шпатами характеризуются хорошей стойкостью против естественного разрушения. Таким образом, их преобладание в горной породе положительно отражается на ее техническом качестве.
Слюды – это отдельная представительная группа породообразующих минералов, наибольшее распространение из которых
имеют мусковит и биотит. По химическому составу мусковит
и биотит являются алюмосиликатами. Мусковит называют калиевой слюдой, а биотит – железисто-магнезиальной, так как в составе первой основным оксидом является оксид калия, а в составе
второй – оксиды железа и магния. Мусковит и биотит друг от друга отличаются цветом: мусковит прозрачен и имеет белый или серый цвет, биотит – это непрозрачная, темная, часто черная слюда.
От других минералов слюды отличает весьма совершенная
спайность. Они легко расщепляются на тонкие упругие листочки,
обладающие идеально гладкими поверхностями.
Мусковит и биотит имеют истинную плотность 2,76…3,12 г/см3,
твердость 2…3 единицы по шкале Мооса. Не обладая высокой
прочностью, слюды в составе горных пород являются своеобразными «трещинами», снижающими прочность породы. Кроме того,
значительное содержание слюд затрудняет получение полированной поверхности при обработке изделий – частицы слюды легко
выкрашиваются, но грубоотколотым поверхностям камня слюда
придает искрящийся блеск.
Слюды часто встречаются в гранитах, сиенитах, порфирах.
По долговечности мусковит значительно превосходит биотит.
Биотит легко выветривается, а мусковит, сохраняясь, переходит
в состав механических осадочных пород, где присутствует в качестве примеси.
Минералы осадочных пород представлены четырьмя основными группами: кремнеземы, алюмосиликаты, карбонаты, сульфаты.
В группу кремнезема входят кварц, халцедон, опал. Халцедон
представляет собой скрытокристаллическую, микроволокнистую
разновидность кварца с очень малым содержанием воды. Свойства
минерала незначительно отличаются от свойств кварца. Истинная
плотность халцедона составляет 2,6 г/см3, твердость – 6,5 единицы
по шкале Мооса. Опал – это аморфный минерал с большим содержанием воды (от 2 до 34 %), что выражается химической формулой
SiO2 · nH2O. Свойства опала: истинная плотность – 1,9…2,6 г/см3,
твердость – 5…6 единиц по шкале Мооса. Аморфная разновидность кремнезема в осадочных горных породах выполняет функцию природного цемента, скрепляя отдельные зерна, куски в монолитный конгломерат. Кроме этого, опал слагает органогенные
горные породы диатомит и трепел.
Группу алюмосиликатов представляют в основном глинистые
минералы, образовавшиеся при выветривании магматических пород. Химический состав глинистых минералов приблизительно
выражается формулой Al2O3 · nSiO2 · mH2O. Наиболее распространенными глинистыми минералами являются каолинит, галлуазит,
монтмориллонит, иллит. Эти минералы не обладают прочностью,
легко растираются пальцами, жирные на ощупь. Их твердость не
превышает одной единицы по шкале Мооса, истинная плотность
в зависимости от содержания химически связанной воды может
изменяться от 1,6 до 2,6 г/см3. Уникальная особенность глинистых
минералов состоит в том, что они жадно поглощают воду, а во
влажном состоянии образуют пластичное тесто.
Группа карбонатов включает кальцит (CaCO3), магнезит
(MgCO3), доломит (CaCO3 · MgCO3). Кальцит является породообразующим минералом известняков, известковых туфов, мела; магнезит и доломит слагают породы одноименного названия. Показатели свойств минералов повышаются в ряду кальцит – доломит –
магнезит. Например, истинная плотность у кальцита – 2,72 г/см3,
у доломита – 2,85 г/см3, у магнезита – 3 г/см3; твердость соответственно – 3–3,5–4 единицы по шкале Мооса. Характерной особенностью минералов-карбонатов является то, что при нагревании
в интервале температур 700...950 °С они распадаются с выделением углекислого газа. Твердые продукты такого распада используются в строительстве как вяжущие вещества.
20
21
Сульфаты – это минералы, являющиеся солями серной кислоты. В группе сульфатов наибольший интерес и наибольшее распространение имеют гипс (CaSO4 · 2H2O) и ангидрит (CaSO4). Они
слагают осадочные породы одноименного названия. Гипс имеет
разновидности: селенит (волокнистое строение, шелковый блеск)
и алебастр (тонкозернистое строение, снежно-белый цвет). Истинная плотность гипса составляет 2,3 г/см3, твердость – 2 единицы по
шкале Мооса (чертится ногтем). Ангидрит – менее распространенный (так как в природе он постепенно гидратирует), более плотный и твердый минерал; истинная плотность – 2,9…3,1 г/см3,
твердость – 3…3,5 единицы по шкале Мооса.
Метаморфические породы состоят из минералов материнских
пород. В процессе метаморфизма породообразующие минералы
подвергаются перекристаллизации в твердом состоянии. Так,
например, гнейс, образовавшийся из гранита, состоит, как и гранит
из кварца, полевого шпата и слюды; мрамор – продукт метаморфизма известняка – состоит, как и известняк, из кальцита. Следует,
однако, отметить, что метаморфические породы могут содержать
и специфические минералы, которые встречаются только в составе
видоизмененных пород, например, серпентин. Такие минералы являются продуктами гидротермального изменения составных частей материнской породы.
Физические и механические характеристики горных пород
являются определяющими при добыче, обработке (или переработке) камня, а также при практическом использовании.
Обычно при оценке горных пород учитывают среднюю плотность, водопоглощение, предел прочности при сжатии, снижение
прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии (водостойкость).
Горные породы, изделия из которых предназначены для работы на открытом воздухе (изделия для наружной облицовки зданий, мемориальные и архитектурно-строительные изделия), испытывают на морозостойкость и стойкость к воздействию окружающей среды. По морозостойкости горные породы подразделяются
на марки: F15, F25, F35, F50, F100, F150, F200. Стойкость горной
породы к воздействию окружающей среды оценивают по минерало-петрографическому составу, а также по результатам испытаний
на кислото- и солестойкость.
Горные породы, изделия из которых применяются для
устройства полов и лестниц общественных, административных,
производственных зданий, метрополитенов, вокзалов, а также
плит мощения и мемориальных сооружений, необходимо испытывать на стойкость к механическим воздействиям. Стойкость горной породы к механическим воздействиям характеризуется истираемостью и сопротивлением ударным нагрузкам.
В отдельных необходимых случаях при оценке горной породы устанавливаются следующие показатели: истинная плотность,
пористость, коэффициент линейного температурного расширения,
твердость.
Зная условия происхождения горной породы, особенности
строения и минеральный состав, можно гипотетически составить
общую картину ее строительных свойств. Однако нужно иметь
в виду, что фактические показатели отдельных свойств одной
и той же породы могут сильно отличаться по месторождениям
и даже в пределах одного месторождения. Это обусловлено особенностями залегания породы, степенью естественного разрушения (выветривания), способом добычи.
Массивные магматические горные породы имеют высокую
плотность – 2600…3300 кг/м3 и прочность при сжатии –
120…350 МПа. Имея очень малую пористость (не более 1 % по
объему), они обладают высокой теплопроводностью и значительной морозостойкостью. Равномерно- и мелкозернистые породы
выдерживают до 200 и более циклов попеременного замораживания и оттаивания. Массивные магматические породы имеют твердость 6…7 единиц по шкале Мооса, поэтому хорошо сопротивляются истиранию. Они трудно обрабатываются, но благодаря малой
пористости способны полироваться.
Массивные магматические породы (в наибольшей степени
гранит) применяются в строительстве для наружной облицовки
зданий, гидротехнических сооружений, набережных; для устройства фундаментов, опор мостов; из них изготавливают тротуарные
и дорожные плиты, плиты для полов, ступени лестниц, бортовые
камни. В раздробленном виде массивные породы используются
22
23
2.3. Свойства и области применения горных пород
в качестве щебня в бетонах, балласта при строительстве автомобильных и железных дорог. Отдельные массивные магматические
породы, например габбро, диабаз, базальт, используются в качестве исходного сырья для получения изделий каменного литья,
а также теплоизоляционной минеральной ваты. Нельзя не упомянуть употребление массивных магматических пород в архитектурно-художественных целях. Из таких пород созданы многочисленные архитектурные шедевры. Многие, например, знают атлантов,
поддерживающих портик входа в Эрмитаж. Эти знаменитые фигуры выполнены из диорита.
Обломочные магматические породы характеризуются высокой пористостью, образованной выделявшимися газами при быстром остывании магмы.
Рыхлые породы – вулканический пепел, вулканический песок
и пемза отличаются размерами частиц. Пепел – порошкообразная
порода с частицами размером до 0,15 мм. Зерна песка имеют размеры от 0,15 до 5 мм, пемзы – более 5 мм (до 200…300 мм).
Эти горные породы, обладая высокой пористостью (до 80 %),
имеют малую плотность и малую теплопроводность. Песок и пемзу используют как заполнители в легких бетонах.
Сцементированные породы – вулканические туфы образовались в результате накопления, слеживания и естественной цементации рыхлых продуктов извержения вулканов. Они имеют следующие свойства: плотность – 700…1400 кг/м3, пористость –
45…70 %, прочность при сжатии – 5…20 МПа, коэффициент теплопроводности – 0,2…0,5 Вт/(м · °С). Вулканические туфы применяются в виде пиленого стенового камня при малоэтажном строительстве, в виде щебня для легкого бетона.
Все обломочные магматические породы имеют аморфное
строение, обладают химической активностью и используются также
в качестве активной минеральной (пуццолановой) добавки в технологии вяжущих веществ.
Осадочные обломочные рыхлые породы (глины, пески, гравий, щебень, валуны) являются скоплениями продуктов разрушения
(выветривания) первичных, чаще магматических, горных пород.
Глины образуются в результате выветривания гранита, габбро, диабаза, вулканического туфа. Они представляют собой землистую массу, состоящую из частиц размером менее 0,005 мм. Ми-
неральной основой глин являются глинистые минералы. Глина
называется мономинеральной, если она состоит преимущественно
из одного глинистого минерала, и полиминеральной, если количество равноценных глинистых минералов в ее составе два и более.
Кроме глинистых минералов большинство глин содержат различные примеси, часто ухудшающие технические свойства глин.
Наиболее ценными являются «чистые» глины. В строительстве
глины используются как сырьевые материалы в технологиях керамических изделий, пористых заполнителей и гидравлических вяжущих веществ.
Песок – это зернистая порода с размером зерен 0,16…5,0 мм.
В зависимости от условий образования и места залегания песок
может быть морской, речной, дюнный, барханный, горный, вулканический, овражный и т. д. Техническая ценность песка определяется его минеральным и гранулометрическим составами, чистотой.
Наибольшее значение в строительстве имеет кварцевый песок.
Пески применяются в качестве мелкого заполнителя в бетонах
и строительных растворах, для устройства оснований при строительстве дорог, всех видов зданий и сооружений; чистый кварцевый песок является основным сырьем при производстве стекла.
Гравий, щебень, валуны состоят из обломков размером более
5,0 мм: гравий и щебень – 5…70 мм, валуны – 100…1000 мм. Зерна щебня, образующегося в горах, имеют шероховатую поверхность. Гравий и валуны характеризуются окатанной, часто выветрившейся поверхностью обломков. Гравий, щебень, валуны являются местным строительным материалом, используемым как
заполнитель в бетонах, как балласт при строительстве дорог, в качестве бутового камня.
Рыхлые обломочные породы в результате накопления, слеживания и пропитывания природным цементирующим веществом
превращаются в монолитные, сцементированные обломочные породы. В зависимости от того, какой формы и каких размеров зерна
подверглись цементации, различают следующие сцементированные породы: песчаники (сцементированный песок), конгломераты
(преобладает сцементированный гравий), брекчии (преобладает
сцементированный щебень). Наибольшее применение в строительстве имеют песчаники. Конгломераты и брекчии являются материалами местного значения.
24
25
Название песчаников, а также их технические свойства определяются природным цементирующим веществом, скрепляющим
зерна песка. Различают следующие виды песчаников: кремнистый,
известковый, железистый, глинистый и др. Из всех песчаников
наиболее высоким качеством обладают кремнистые песчаники,
в которых цементирующим веществом является водный или безводный кремнезем (SiO2 · nH2O или SiO2). Они имеют высокую
плотность (2600…2700 кг/м3) и довольно высокую прочность,
приближающуюся к прочности массивных магматических пород.
Очень важное достоинство кремнистых песчаников – большая
долговечность.
Песчаники в виде штучного камня применяются для возведения фундаментов, стен неотапливаемых зданий, облицовки фасадов, опор мостов, для получения бутового камня и щебня.
Химические осадочные горные породы образовались путем
осаждения растворенного вещества на дно водоема. Наибольший
интерес для строителей представляют гипс, ангидрит, магнезит,
доломит, известняк.
Гипс и ангидрит сложены одноименными минералами и в большой степени повторяют их свойства. Породы-сульфаты крайне
редко используются в строительстве в естественном виде (как камень для внутренней облицовки). Их главное применение – сырье
для производства вяжущих веществ.
Магнезит является карбонатной породой и состоит из минерала такого же названия (MgCO3). Эта порода не очень сильно
распространена в природе и используется в основном для производства высокоогнеупорных материалов. Из магнезита получают
воздушное вяжущее вещество – каустический магнезит.
Доломит – карбонатная порода, занимающая по распространенности в земной коре и по техническим характеристикам промежуточное положение между магнезитом и известняками.
В строительстве доломит применяется в виде облицовочных плит,
в виде щебня для бетона и балласта при строительстве дорог, как
сырье для получения вяжущих веществ и огнеупорных материалов.
Наибольшее значение в строительстве из всех химических
пород имеют известняки, состоящие преимущественно из углекислого кальция (минерал кальцит). Известняки бывают плотные
и пористые.
Плотные известняки имеют плотность 2200…2500 кг/м3,
прочность при сжатии – 10…120 МПа. Они сравнительно легко
добываются, обрабатываются и применяются в строительстве
в виде камня для кладки стен или плит для облицовки; при достаточной прочности могут использоваться в качестве щебня для
бетона.
Пористые известняки (известковые туфы) образовались осаждением соли углекислого кальция из подземных водных источников. Они имеют ноздреватую, ячеистую текстуру. Плотность известковых туфов изменяется в широких пределах и в среднем составляет 1600 кг/м3, пористость иногда достигает 50 %. Прочность
также варьируется в широких пределах: от 5 МПа у легких разновидностей до 80 МПа у плотных разновидностей с равномерно
распределенными мелкими порами. Известковые туфы применяются для кладки стен и наружной облицовки зданий, в качестве
легкого заполнителя в бетонах. Кроме того, известняки являются
сырьем для получения вяжущих веществ.
Известняк – это распространенная в земной коре горная порода, но в чистом виде она встречается сравнительно редко. Часто
известняки загрязнены примесями кремнезема, глины, карбоната
магния и др.
Присутствие кремнезема в составе известняка повышает его
технические характеристики, затрудняя добычу и обработку.
Глина может присутствовать в известняке либо в виде прослоек ограниченного объема, либо в виде тесной смеси с кальцитом, в которой частицы глины и кальцита не различаются невооруженным глазом. С технической точки зрения второй вариант
значительно лучше, так как включения глины в виде прослоек существенно ухудшают свойства горной породы: понижаются водостойкость, прочность, морозостойкость. Такие породы целесообразно применять в качестве сырьевых материалов, подвергающихся дроблению и помолу.
Количество глины в известняке может варьироваться так широко, что различают целый ряд переходных пород от чистого известняка к чистой глине. Перечень таких пород приведен в табл. 2.
В этой таблице необходимо обратить внимание на породу мергель,
которая не применяется как каменный материал, а является хорошим сырьем для получения портландцементного клинкера.
26
27
Таблица 2
Органогенные породы представляют собой скопления на дне
или вблизи водоемов огромного количества останков животных
и растительных организмов, претерпевших уплотнение, цементацию, перекристаллизацию. В зависимости от того, какие организмы – животные или растительные – участвовали в образовании
органогенных пород, последние подразделяются на зоогенные
и фитогенные. К зоогенным относятся известняки: мел и ракушечник, а к фитогенным – диатомит и трепел. Все органогенные породы, кроме ракушечника, обладают невысокой прочностью и не
применяются в строительстве как конструктивный материал.
Мел используется в качестве сырьевого материала при производстве вяжущих веществ, строительного стекла, как компонент
красок, шпатлевок, замазок. Диатомит и трепел представляют собой мягкие, легкие, светлые, землистого вида породы. Они состоят
преимущественно из аморфного кремнезема (опал, халцедон)
и применяются для производства теплоизоляционной керамики
и как пуццолановые добавки к цементам.
Известняк-ракушечник состоит из сцементированных природным известковым цементом (углекислым кальцием) ракушек
и их обломков. В породе ракушки находятся в разной степени сохранности, так как с течением времени они претерпевают структурные изменения. Ракушечник характеризуется высокой пористостью и, следовательно, малой плотностью и малой теплопроводностью. Его плотность в среднем составляет 1200…1300 кг/м3.
Прочность породы достаточна для применения ее в виде стенового
камня в малоэтажном строительстве.
Метаморфические породы характеризуются большой плотностью, так как формировались при давлении вышележащих слоев
земной коры. Одностороннее давление, при котором происходит видоизменение горных пород, приводит к появлению сланцеватости –
способности сравнительно легко раскалываться на тонкие слои.
Гнейсы по прочности при сжатии перпендикулярно плоскостям сланцеватости не уступают прочности гранитов. В то же время в направлении, параллельном плоскостям сланцеватости,
их прочность ниже в 1,5…2 раза. По этой причине они обладают
и меньшей морозостойкостью. Применяются гнейсы как бутовый
камень, в виде плит для устройства тротуаров, дорог, облицовки
каналов, набережных. Из гнейсов изготавливают щебень, однако
он не всегда может быть пригоден для применения в бетонах из-за
повышенного содержания пластинчатых зерен. Щебень используется в качестве балласта при строительстве дорог.
Кварциты – это очень твердые, прочные, огнеупорные, кислотостойкие горные породы. Предел прочности при сжатии у них
достигает 500 МПа. Они состоят из зерен кварца, соединенных
тонкими прослойками кремнистого цемента с неразличимой границей между ними. Одним из достоинств кварцитов является их
высокая долговечность. Используют кварциты в особо ответственных частях мостов, гидротехнических сооружений. Некоторые
28
29
Классификация известково-глинистых горных пород
Название породы
Содержание CaCO3, %
Содержание глины, %
Известняк
Известняк глинистый
Мергель
Мергель глинистый
Глина известковая
Глина
95–100
75–95
50–75
25–50
5–25
0–5
0–5
5–25
25–50
50–75
75–95
95–100
В земной коре также широко распространены горные породы,
представляющие собой природные смеси известняка и доломита.
Присутствие доломита в такой композиции повышает числовые
показатели основных строительных свойств. Классификация известково-доломитовых горных пород приведена в табл. 3.
Таблица 3
Классификация известково-доломитовых горных пород
Название породы
Известняк
Известняк доломитистый
Известняк доломитовый
Доломит известковый
Доломит известковистый
Доломит
Содержание
CaCO3, %
Содержание
CaCO3 · MgCO3, %
95–100
75–95
50–75
25–50
5–25
0–5
0–5
5–25
25–50
50–75
75–95
95–100
кварциты красивы в полированном виде и поэтому применяются
в виде облицовочных плит. Однако из-за большой твердости (7 единиц по шкале Мооса) они весьма трудно обрабатываются. Большая
доля кварцитов является сырьем для производства огнеупоров.
Мрамор – это массивная, плотная зернисто-кристаллическая
горная порода, состоящая из прочно сцепленных между собой зерен кальцита или доломита. Предел прочности при сжатии мраморов составляет 100…300 МПа, плотность – 2600…2800 кг/м3.
Низкая твердость (3…3,5 единицы по Моосу) и малая пористость
позволяют мраморам легко полироваться. Как и известняки, чистые (белые) мраморы встречаются редко. Присутствие примесей
в породе придает ей различный цвет, вплоть до черного, а неравномерное их распределение проявляется в разнообразии красивых
текстур. Из мраморов изготавливают плиты для внутренней облицовки зданий, плитки для полов, ступеней лестниц, подоконные
доски. Щебень (мраморная крошка) используется в декоративных
бетонах и штукатурках. Он широко применяется в метростроении.
Мрамор не рекомендуется применять для наружной облицовки,
так как под влиянием влаги, сернистого газа, содержащегося в городской атмосфере, он выветривается, тускнеет, теряет цвет.
Глинистые сланцы – плотная и сравнительно твердая порода
со сланцеватой текстурой, состоящая из сильно уплотненной и частично перекристаллизованной глины. Сланцы, в отличие от глины, не размокают в воде и не образуют пластичное тесто. Порода
легко раскалывается или распиливается на тонкие плитки (2…8 мм),
из которых путем дополнительной обработки изготавливают изделия для кровли («природный шифер»). Такой природный кровельный материал характеризуется хорошими эксплуатационными характеристиками и отличается большой долговечностью.
30
3. ОБРАБОТКА ГОРНЫХ ПОРОД
Применению горных пород в строительстве предшествует их
добыча в карьерах и переработка или обработка в зависимости от
назначения. При этом применяются такие технологические приемы,
как взрывание, вырезка пилами, отделение массива с помощью клиньев, дробление, помол, обтесывание, шлифование, обработка термической струей, полирование и др. Переработка и обработка горных пород производится на стационарных дробильно-сортировочных, камнеобрабатывающих предприятиях, оснащенных специальным оборудованием и механизированным инструментом.
Декоративные достоинства горной породы проявляются в поверхностной фактуре камня, создаваемой в процессе обработки.
Фактура камня определяется высотой рельефа его лицевой поверхности. Различают ударную, абразивную и термическую обработку камня.
Ударная обработка заключается в скалывании ударом с поверхности изделия неровностей с помощью камнетесного инструмента, имеющего пики различной конфигурации. К таким инструментам относятся: закольник, скарпель, шпунт, троянка, бучарда.
Закольник – это стальной инструмент, рабочая часть которого заточена с одной или двух сторон под углом 65°. Рабочая ширина
закольника может быть 30 или 40 мм. Скарпель – один из видов
долота. Угол заострения рабочей части в виде лопатки для твердых
пород составляет около 50°, для пород средней твердости –
15…20°. Шпунт представляет собой граненый или круглый стальной стержень, заостренный с одного конца. Для обработки твердых горных пород применяют шпунт с углом заострения 70°, а для
обработки пород средней твердости – 20°. Шпунтом обрабатывают
камень после окалывания закольником. Троянка – острое долото,
рабочая часть которого разделена на три отдельных зубца. Угол
заострения рабочей части составляет 15…20°, расстояние между
зубцами – от 1 до 6 мм. Камнетесный инструмент применяют
вручную, ударяя по нему стальным молотком-киянкой. Применяют также электро- или пневматический молоток со сменным рабочим инструментом.
31
Бучарда представляет собой металлический молоток, на двух
ударных сторонах которого расположены пирамидальные зубья.
Абразивная обработка предполагает использование пил
и фрез различных конструкций, шлифовального зерна разной
крупности, полировочных мастик и порошков.
Для распиловки горных пород на стационарных распиловочных станках применяют металлические плоские пилы (штрипсы)
и дисковые пилы. Плоские пилы бывают гладкие и с алмазосодержащими элементами, дисковые – с алмазосодержащими элементами.
Плоские гладкие штрипсы применяют для распиловки камня
твердых горных пород и пород средней твердости с высоким содержанием кварца. Такие пилы изготавливают в виде полосы из
мягкой стали. Распиловку камня твердых горных пород гладкими
плоскими пилами производят только с применением свободного
абразива, подаваемого в пропил. В качестве абразива используют
техническую дробь или кварцевый песок. Плоские пилы с алмазосодержащими элементами применяют для распиловки горных пород средней твердости и бескварцевых твердых пород.
Дисковые пилы представляют собой стальной корпус толщиной 4…6 мм и диаметром 800…3150 мм, изготовляемый из высокопрочных легированных сталей, на который напаивают алмазосодержащие элементы-сегменты.
Канатная пила применяется в карьере при выпиливании блоков из горного массива или на камнеобрабатывающих предприятиях для распиловки блоков. Рабочим органом пилы является
стальной канат диаметром 3…6 мм и длиной до 1500 м. В процессе резания камня под канат (в пропил) непрерывно подается смесь
зерен абразива (кварцевый песок, карборунд) и воды. Усовершенствованные пилы имеют закрепленные на канате резцы из твердого сплава или резцы, армированные алмазом. Это позволяет производить резку без применения абразива.
Термическая обработка заключается в воздействии на камень
струи высокотемпературного газа, вызывающего шелушение и частичное оплавление («глазурование») поверхности. Такую обработку делают с помощью термоотбойников и терморезаков, которые представляют собой реактивные горелки, работающие на бензовоздушной смеси. При обработке камня термоинструментом
происходит неравномерный нагрев и возникающие термические
напряжения вызывают скалывания поверхностного слоя.
Профилированные изделия, имеющие сложный профиль
(карнизы, плинтусы и т. п.), получают на камнеобрабатывающих
предприятиях с помощью камнефрезерных и профилирующих
машин.
Шлифование и полирование осуществляют на шлифовальнополировальных станках с вращающимися дисками, перемещающимися по поверхности изделия. Шлифование производится
с применением шлифзерна (корунда, карборунда, алмаза), которое
срезает микронеровности камня. После шлифования камень имеет
гладкую матовую поверхность. Для полирования войлочными
дисками применяют специальные мастики и полирующие порошки из оксидов металлов или нитрата олова, которые втирают в поверхностный слой камня. Таким образом получают блестящую
(зеркальную) поверхность.
Характеристика фактур лицевой поверхности обработанного
природного камня приведена в табл. 4.
32
33
Таблица 4
Характеристика фактур лицевой поверхности изделий
из природного камня
Название
фактуры
Характеристика
фактуры
Способ получения
фактуры
1
2
Ударная обработка
Обколотая или расколотая поверхность, имеющая бугры и впадины с перепадом 50…200 мм
Рельефная поверхность с равномерным
чередованием бугров и впадин, с высотой неровностей рельефа до 10 мм при
расстоянии между соседними буграми
20…40 мм
Неравномерно шероховатая поверхность, образованная мелкими параллельными прерывистыми бороздками с
высотой неровностей рельефа до 2 мм
Равномерно шероховатая с высотой
рельефа до 5 мм
3
«Скала»
(скальная)
Бугристая
(«шуба»)
Бороздчатая
(рифленая)
Точечная
Естественный раскол с применением
закольника
Обработка поверхности скарпелью
или шпунтом
Прорезка троянкой
или алмазными
кругами
Обработка бучардой
Окончание табл. 4
1
Вскрытая
(очищенная)
Пиленая Б
Пиленая А
Шлифованная
Лощеная
Полированная
Термообработанная
(огневая)
2
Абразивная обработка
Матовая поверхность с выявленным
цветом и текстурой камня
3
Обработка ультразвуком в водной
среде, пескоструйная обработка
Неравномерно шероховатая с резкими Распиловка стальштрихами от зерен крупного абразива ными штрипсами
с высотой рельефа до 2 мм
с дробью и канатными пилами
Гладкая поверхность с малозаметными Распиловка алмазследами от пилы при высоте отдельными штрипсами
ных неровностей рельефа до 2 мм
и отрезными кругами
Равномерно шероховатая со следами
Шлифовка среднеот шлифзерна с высотой микрорельефа зернистым абразидо 630 мкм
вом
Гладкая бархатисто-матовая без следов Шлифовка тонкообработки с полностью выявленной
зернистым абразитекстурой камня, с высотой микроревом
льефа до 0,63 мкм
Гладкая с зеркальным блеском, полПолировка полиным выявлением цвета, рисунка и
ровальным инструктуры камня, дающая четкое отструментом
ражение окружающих предметов
Термическая обработка
Крупношероховатая поверхность со
Обработка термоследами чешуйчатого шелушения и от- инструментом
слаивания лещадных частиц размером
до 30 мм и высотой неровностей рельефа до 10 мм
Полированная, лощеная и шлифованная фактуры относятся
к тонким фактурам, остальные – к грубым.
Для получения щебня, песка, крошки, порошка, муки горные
породы подвергают дроблению и помолу в дробилках и мельницах
разных конструкций. В этом технологическом процессе применяют также операции обогащения, промывки, фракционирования.
Особенно ценным является применение отходов камнеобработки
для получения сыпучих материалов из горных пород.
4. ЗАЩИТА ПРИРОДНОГО КАМНЯ ОТ РАЗРУШЕНИЯ
В процессе службы каменные материалы подвергаются воздействию окружающей среды и постепенно разрушаются. Процесс
естественного разрушения горных пород называют выветриванием. Основные причины выветривания (коррозии) – это совместное
действие влаги и отрицательных температур, растворяющее действие воды, химическое взаимодействие с газами, растворами кислот, находящимися в воде и в воздухе, циклическое изменение
температуры и влажности, биологические заражения, солнечная
радиация, действие ветра.
Мероприятия, направленные на защиту каменных материалов
от коррозии, в основном сводятся к предохранению камня от воздействия воды и повышению поверхностной плотности (уменьшению пористости). Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.
Конструктивная защита открытых частей камня от увлажнения осуществляется путем придания изделиям таких форм, при которых вода не задерживается на поверхности, а стекает с нее. Этому также способствует полирование поверхности камня.
Физико-химические приемы защиты обеспечивают получение плотной и (или) гидрофобной поверхности камня. На это
направлены следующие способы.
Силикатирование заключается в последовательной пропитке поверхностного слоя камня жидким стеклом (R2O · mSiO2)
и раствором хлористого кальция (CaCl2), в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция (CaO ·
nSiO2) и кремнекислота (SiO2 · nH2O), заполняющие поверхностные
поры. Образующийся при этом хлористый натрий смывается водой.
Флюатирование – пропитка поверхности карбонатных пород растворами солей кремнефтористоводородной кислоты. Эти
соли называются флюатами. Флюаты реагируют с камнем и в результате происходящей реакции образуются практически нерастворимые в воде соединения. Приведем пример с флюатом магния:
2CaCO3 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + SiO2 +2CO2
34
35
Фториды кальция и магния (CaF2, MgF2) а также кремнезем
(SiO2), образовавшиеся в результате химической реакции, накапливаются в поверхностных порах. Это приводит к уменьшению
пористости и водопоглощения, увеличению прочности и морозостойкости, повышению долговечности камня. Поверхность некарбонатных пористых пород предварительно обрабатывают водным
раствором хлористого кальция (CaCl2), а после просушки – раствором соды (Na2CO3). Происходит химическая реакция, образующая карбонат кальция (CaCO3), – основа для последующего
флюатирования. Такой прием защиты камня называется аванфлюатированием.
Гидрофобизация заключается в пропитке пористого камня
гидрофобными (водоотталкивающими) составами, что создает
препятствие для проникания влаги в материал и повышает стойкость против выветривания. Для гидрофобизации используют гидрофобные кремнийорганические жидкости (ГКЖ), пленкообразующие полимерные растворы и эмульсии.
36
Рекомендуемая литература
1. Алимов Л. А. Строительные материалы: учебник для студ. учреждений высш. образования / Л. А. Алимов, В. В. Воронин. – 3-е изд., стереотип.
– М.: Издательский центр «Академия», 2016. – 320 с.
2. Архитектурное материаловедение: учебник для студ. учреждений
высш. проф. образования / Ю. М. Тихонов, Ю. П. Панибратов, Ю. Г. Мещеряков и др.; под ред. Ю. М. Тихонова, Ю. П. Панибратова. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 288 с.
3. Боженов П. И. Комплексное использование минерального сырья
и экология: учеб. пособие / П. И. Боженов. – М.: АСВ, 1994. – 264 с.
4. Горчаков Г. Н. Строительные материалы: учеб. для вузов /
Г. Н. Горчаков, Ю. М. Баженов. – М.: Стройиздат, 1986. – 668 c.
5. ГОСТ 32018–2012. Изделия строительно-дорожные из природного
камня. Технические условия. – М., 2014.
6. ГОСТ 4001–2013. Камни стеновые из горных пород. Технические
условия. – М., 2014.
7. ГОСТ 9480–2012. Плиты облицовочные из природного камня. Технические условия. – М., 2014.
8. ГОСТ 9497–2011. Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий. Технические условия. – М., 2012.
9. ГОСТ 30629–2011. Материалы и изделия облицовочные из горных
пород. Методы испытаний. – М., 2012.
10. Зискинд М. С. Декоративно-облицовочные камни. – Л.: Недра,
1989. – 255 с.
11. Материаловедение в строительстве: учеб. пособие для студ. высш.
учеб. заведений / И. А. Рыбьев, Е. П. Казеннова, Л. Г. Кузнецова, Т. Е. Тихомирова; под ред. И. А. Рыбьева. – 3-е изд., стереотип. – М.: Издательский
центр «Академия», 2008. – 528 с.
12. Мещеряков Ю. Г. Строительные материалы: учебник для студентов
ВПО, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» / Ю. Г. Мещеряков, С. В. Федоров. – НОУ ДПО «ЦИПК». – СПб., 2013. – 400 с.
13. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение: учеб. пособие
для строит. спец. вузов / И. А. Рыбьев. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк.,
2004. – 701 с.
14. Строительные материалы: учебник / под общ. ред. В. Г. Микульского. – 8-е изд., доп. и перераб. – Екатеринбург: ЮЛАНД, 2016. – 536 с.
37
Приложение
Виды штучного камня из горных пород
Стеновые камни предназначены для кладки стен зданий, хозяйственных построек, колонн, заборов и элементов оград, парапетов и др. Они бывают объемные и плитчатые. К объемным относятся мерные камни (лицевые и рядовые) и бутовые камни (необработанные или с частичной обработкой). Лицевые стеновые камни, в отличие от рядовых, имеют заданную
фактуру лицевой поверхности.
Мерные камни имеют форму прямоугольного параллепипеда с размерами: длина – 195…490 мм, ширина – 190 или 240 мм, высота – 188 или 288 мм.
Бутовые камни представляют собой куски и глыбы неправильной
формы с угловатыми или округлыми очертаниями. Размеры кусков –
100…500 мм, глыб – 500…1000 мм.
Плитчатые стеновые камни могут быть обработанные и необработанные. Обработанные камни изготавливают в виде плит или полосок, обрезанных или обколотых по одной, двум, трем или четырем сторонам. Необработанные камни дополнительной обработке не подвергаются. Основные размеры плитчатых камней: длина и ширина – от 50 до 1000 мм, толщина –
от 20 до 200 мм.
Мерные камни изготавливают из низкопрочных магматических и осадочных горных пород: вулканический туф, плотный и пористый известняк,
известняк-ракушечник, доломит, мел, трепел, известняковый песчаник и др.
Они имеют плотность менее 2100 кг/м3, обладают водопоглощением
до 50 %. Марки по прочности при сжатии мерных камней – от М4 до М400.
Бутовые и плитчатые стеновые камни изготавливают из пород разного
генезиса и разной прочности (Rсж – от 10 до 200 МПа). Применяются следующие горные породы: гранит, кварцевый порфир, кварцит, диабаз, базальт,
кварцевый песчаник, трахит, мрамор, конгломерат, брекчия, известнякракушечник и др.
По морозостойкости стеновые камни подразделяются на марки: F15,
F25, F35, F50, F100, F150, F200, F300.
Строительно-дорожные изделия применяются для устройства покрытий на городских улицах, площадях, садово-парковых дорожках, трамвайных путях, для отделения проезжей части дорог и пешеходных дорожек
от тротуаров, газонов, разделительных полос и т. п. К таким изделиям относятся брусчатые камни, бортовые камни, плиты мощения.
Брусчатые камни изготавливают из магматических горных пород
колкой или пилением. Они представляют собой объемные малогабаритные
изделия, имеющие форму усеченной пирамиды (колотые), прямоугольного
параллепипеда, куба (пиленые). Лицевая поверхность брусчатых камней
38
может иметь различные фактуры. Размеры изделий: высота – 50…150 мм,
ширина и длина – 50…300 мм.
Бортовые камни являются погонажными изделиями (длина значительно превышает ширину и высоту) прямоугольного сечения. По способу
изготовления они бывают колотые и пиленые, по форме – прямоугольные
и криволинейные. Камни имеют размеры: длина – 700…2000 мм, ширина –
80…200 мм, высота – 200…600 мм.
Плиты мощения – это прямоплоскостные изделия квадратной или
прямоугольной формы. Лицевая поверхность плит может иметь различные
фактуры. Размеры плит мощения: высота (толщина) – 50…100 мм, ширина и
длина – свыше 300…700 мм.
Показатели основных физико-механических свойств горных пород,
применяемых для изготовления строительно-дорожных изделий, приведены
ниже (в скобках значение показателя для бортовых камней):
• предел прочности при сжатии в воздушно-сухом
100 (80)
состоянии, МПа, не менее ……………………………….
0,5
• водопоглощение, %, не более ……………………………
0,75 (0,7)
• коэффициент размягчения (водостойкость), не менее …
• морозостойкость, циклы, не менее ……………………… 100
0,5 (1,0)
• истираемость, г/см2, не более …………………………….
5
• солестойкость, %, не более ………………………………
Облицовочные плиты применяются для наружной и внутренней облицовки конструкций зданий и сооружений, для устройства полов. Их получают из горных пород распиливанием блоков (заготовок) или разборкой
горного массива по слоям.
Облицовочные плиты изготавливают следующих видов:
• слэбы – частично обработанные (неокантованные) крупноразмерные плиты;
• мерные плиты – изделия прямоугольной формы, получаемые раскроем слэбов на заданные размеры.
В зависимости от размеров мерные плиты бывают модульные, толстомерные, мелкоразмерные, колотые.
Модульные облицовочные плиты – изделия квадратной или прямоугольной формы толщиной 8…20 мм с соотношением сторон 1:1,5 и 1:2.
Размеры сторон модульных плит кратны модулю 300 или 305 мм, например
300×450 мм, 305×610 мм.
Толстомерные плиты – квадратные или прямоугольные полностью обработанные изделия с размерами: длина – 700…2800 мм, ширина –
700…1500 мм, толщина – 40…150 мм.
Мелкоразмерные плиты имеют размеры: длина – 150…600 мм, ширина – 50…150 мм, толщина – 5…20 мм. Их получают из отходов камнеобработки (отколов).
39
Колотые плиты получают расслоением осадочных или метаморфических горных пород по слоям. Они могут быть окантованными прямоугольными или неокантованными с размерами: длина и ширина – 200…2000 мм,
толщина – 5…100 мм.
Облицовочные плиты получают из разнообразных горных пород, поэтому их физико-механические характеристики варьируются в широких
пределах. Прочные породы, например гранит, кварцит, имеют предел прочности при сжатии не менее 100 МПа, водопоглощение – не более 0,75 %,
низкопрочные породы, например вулканический туф, известнякракушечник, имеют предел прочности при сжатии не менее 10 МПа и ненормируемое водопоглощение.
К штучным камням можно отнести архитектурно-строительные изделия. Они производятся в сравнительно малых объемах и отличаются сложными геометрическими формами. К архитектурно-строительным изделиям
из природного камня относятся: рустовые, замковые и кордонные камни,
накрывочные, парапетные и цокольные плиты, ступени лестниц, карнизы, подоконники, плинтусы, детали балюстрад и колонн, вазы, шары.
40
Оглавление
Введение ………………………………………………………………….
1. Классификации горных пород по происхождению (генетическая
классификация) .………………………………………………………….
2. Характеристика и области применения горных пород ………………
2.1. Строение горных пород …………………………………………
2.2. Химический и минеральный состав горных пород …………..
2.3. Свойства и области применения горных пород ………………
3. Обработка горных пород ……………………………………………..
4. Защита природного камня от разрушения ……………………………
Рекомендуемая литература ………………………………………………
Приложение. Виды штучного камня из горных пород …………………
41
3
5
13
13
16
22
31
35
37
38
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
Учебное издание
Кукса Петр Борисович
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ – ПРИРОДНЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректор М. А. Молчанова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 28.12.2017. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 2,6. Тираж 100 экз. Заказ 165. «С» 124.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
42
43
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
44
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 007 Кб
Теги
porod, gornyx, kuksa
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа