СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магматические горные породы (изверженные)

Образование магматических пород тесно связано со сложнейши­ми проблемами происхождения магм и строения Земли. Согласно современным представлениям Земля имеет концентрически - зональное строение и состоит из ядра, промежуточной оболочки (или мантии) и внешней оболочки — коры. Последняя, в свою оче­редь, имеет три слоя: нижний — базальтовый, выше него — гранит­ный и верхний — тонкий чехол осадочных пород (рис. 3.1).

Главной составляющей частью изверженных пород является кремнезем (Si02), в зависимости от содержания которого (в свобод­ном и химически связанном состоянии) эти породы разделяются на кислые (>65% Si02), средние (52-65% Si02) и основные (40-52% Si02).

Базальтовый слой коры состоит из пород основного состава. В пределах океанов верхняя его часть доступна непосредственному изучению; мощность базальтового слоя под океанами не превышает 5-6 км, тогда как в пределах континентов она достигает 40 км. Гра­нитный слой состоит преимущественно из пород кислого состава и различных метаморфических пород. Этот слой развит в пределах континентов и континентальных склонов. Мощность его колеблется от 10 км в пределах платформ до 30 км в складчатых областях. Об­щая мощность земной коры на платформах составляет 30-40 км, в складчатых зонах достигает 30-70 км.

В зависимости от условий образования выделяют две основные группы магматических пород — глубинные (интрузивные) и излив­шиеся (эффузивные). Глубинные — это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Излившиеся по­роды образовались при вулканической деятельности, излиянии маг­мы из глубин и затвердении на поверхности. Обломочные породы образовались при быстром охлаждении лавы.

Породообразующие минералы

Основными породообразующими минералами магматических пород являются: кварц (и его разновидности); полевые шпаты; желе­зисто-магнезиальные силикаты.

Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, по­этому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способ­ность к обработке (к полировке, шлифовке и т. п.).

Кварц, состоящий из кремнезема (диоксида кремня SiC>2 в кри­сталлической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает исключительно высокой прочностью при сжатии (до 2000 МПа) и высокой для хрупких материалов прочно­стью при растяжении (около 100 МПа); высокой твердостью, усту­пающей только твердости топаза, корунда и алмаза; весьма высокой кислотостойкосдью и вообще химической стойкостью при обычной температуре; из кислот на него действует фтористо-водородная ки­слота и горячая фосфорная; едкие и углекислые щелочи вступают во взаимодействие с кварцем при повышенной температуре; высокой огнеупорностью — плавится при температуре 1700 °С. Цвет кварца чаще всего встречается молочно-белый, серый.

Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических по­род, в состав которых он входит (например, при разрушении грани­тов). Поэтому является также одним из самых важных минералов и в осадочных породах (в песчаниках и кварцевых песках).

Полевые шпаты — это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от общей массы породы). Они пред­ставляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т. п.). Главными разновидностями по­левых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы.

Ортоклаз — K2OAl203'6Si02 или K[AlSi308J (по-гречески — прямораскалывающийся) характеризуется следующими свойствами: угол между спайностями 90°, твердость — 6-6,5, плотность 2,57 г/см3, плавится при 1170 °С, полное расплавление при 1450 °С. Встречаются в кислых (гранит) и средних (сиенит) по кислотности магматических породах.

Плагиоклазы (по-гречески — косораскалывающийся) образуют изоморфный ряд от альбита Na20Al203-6Si02 — или Na[AlSi308], входящего в состав кислых пород, до анортита — Ca0Al203‘2Si02 или Ca[Al2Si208], характерного для основных пород (габбро, базальт и др.)

По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно меньшей прочностью (120-170 МПа на сжатие) и стойкостью, по­этому они реже встречаются в осадочных породах (главным обра­зом, в виде полевошпатовых песков). Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды, содержащей углекислоту. Результа­том выветривания является новый минерал — каолинит (важнейшая часть самой распространенной осадочной породы — глины).

К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в магматических породах, относятся железисто-магнезиальные и маг­незиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты.

В группе железисто-магнезиальных силикатов наиболее рас­пространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (ро­говая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вто­ричные минералы, чаще всего замещающие оливин — серпентин, хризотил — асбест.

В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды: обыкновенные — мусковит (почти бесцветный), флогопит и биотит (темного цвета), гидрослюды — гидромусковит, гидробиотит. Твер­дость слюд 2-3.

Все вышеперечисленные минералы, за исключением мусковита и гидромусковита, отличаются от кварца и полевых шпатов темной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета). Харак­терными свойствами цветных минералов (за исключением слюд) яв­ляются высокая прочность и вязкость, а также повышенная плот­ность по сравнению с другими минералами, которые входят в состав магматических пород. Увеличение содержания цветных минералов (за исключением алюмосиликатов) придает породам высокую проч­ность, вязкость и стойкость против выветривания.

Водные алюмосиликаты (слюды) являются нежелательной со­ставной частью пород. Они понижают прочность пород, ускоряют их выветривание и затрудняют шлифовку и полировку, так как в ре­зультате совершенной спайности слюды весьма легко разделяются на очень тонкие пластинки. Слюды встречаются и в песках, где так­же считаются вредной примесью. Бетоны и строительные растворы на песке со значительным содержанием слюды обладают понижен­ной морозостойкостью.

Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда намеренно вводят слюду в целях достижения определенного худо­жественного эффекта.

Глубинные (интрузивные) горные породы

Магматические породы, образующиеся в различной геологиче­ской обстановке, отличаются специфическими признаками, к кото­рым прежде всего относятся форма магматических тел и их взаимо­отношения с вмещающими породами.

Особенности строения горных пород, зависящие от условий об­разования, выражаются в структурных и текстурных признаках.

Структура определяется степенью кристалличности и размерами зерен, а также формой и взаимными отношениями составных частей породы.

При медленном остывании магмы в глубинных условиях возни­кают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний раз­мер зерен более 5 мм), среднезернистые (1-5 мм) и мелкозернистые (0,5-1 мм), а также равномернозернистые и неравномернозернистые структуры (рис. 3.2).

Текстура — совокупность признаков, определяемых распо­ложением и распределением составных частей породы относитель­но друг друга в занимаемом ими пространстве. Подавляющее большинство магматических пород характеризуется массивной текстурой.

Следствием медленного охлаждения магмы является ряд общих свойств для разных глубинных горных пород: весьма малая порис­тость и, следовательно, большая плотность и высокая прочность. Кроме того, в связи с очень малой пористостью эти породы обычно обладают весьма низким водопоглощением, морозостойкостью и сравнительно высокотеплопроводны. Обработка таких пород из-за их высокой прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются.

Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии — 100-300 МПа; плотность — 2600- 3000 кг/м3; водопоглощение — меньше 1% по объему; теплопровод­ность — около 3 Вт/(м’°С).

Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием квар­ца (25-30%), натриево-калиевых шпатов (35-40%) и плагиоклаза (20-25%), обычно небольшим количеством слюды (5-10%) и отсут­ствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии — 120-250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысо­кое и составляет лишь около 1/30-1/40 от сопротивления сжатию.

Необходимо отметить, что в каменных материалах вследствие хрупкости сравнительно легко могут появляться тонкие (волосные) местные трещинки — от взрывов при добыче, от ударов, резких ко­лебаний температуры и т. п. Эти трещинки оказывают сравнительно небольшое влияние на предел прочности при сжатии, но могут зна­чительно понизить прочность на растяжение.

Одним из важнейших свойств гранитов является также малая пористость, не превышающая 1,5%, что обусловливает водопогло­щение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их высо­кая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивает­ся при температурах выше 600 °С вследствие полиморфных превра­щений кварца. Гранит, так же как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию.

Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными. Различные сочетания отдельных компонентов и изменение структуры обусловливают разнообразие цветов, оттенков и декоративного рисунка гранитов, поэтому граниты являются прекрасным облицовочным декоративным материалом. В связи с высокой прочностью на сжатие, морозостойкостью граниты применяют для защитной облицовки набережных, устоев мостов, цо­колей зданий, а также в качестве щебня для высокопрочных и морозо­стойких бетонов. Кроме того, благодаря значительной кислотостойко - сти, граниты применяют в качестве кислотоупорной облицовки.

Из всех изверженных пород граниты наиболее широко исполь­зуют в строительстве, так как они являются самой распространенной из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются значи­тельно реже.

Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6% магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50-70%) и натриевых полевых шпатов (10- 30%), цветных минералов (10-20%). Если присутствует кварц (10- 15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физико­механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько ус­тупая им в прочности из-за отсутствия кварца.

Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и отлича­ются от них меньшим содержанием кварца (20-25%), повышенным количеством цветных минералов (15-20%), в составе которых пре­обладает роговая обманка, поэтому эти породы темнее гранитов. В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат (45-50%). Грано­диориты по механической прочности уступают гранитам, что связа­но с меньшим содержанием кварца. Подобно гранитам, они находят в строительстве самое разнообразное применение — от бута и щебня до облицовочного и скульптурного камня.

Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; со­стоят они из плагиоклаза (65-70%) и роговой обманки, иногда вме­сте с пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25- 30%. Структура породы равномернозернистая, средне - или мелкозер­нистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено наличием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными минералами.

Кварцевые диориты характеризуются присутствием кварца в количестве 5-20% и меньшим содержанием роговой обманки. Структура и текстура аналогичны диоритам.

Физико-механические свойства диоритов характеризуют­ся следующими показателями: плотностью — 2,9 кг/м, преде­лом прочности при сжатии 180-240 МПа. Наиболее прочны диориты с мелко - и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с повышенным содержанием роговой обманки. Разновидности, вклю­чающие биотит, имеют пониженную прочность. Диориты и особенно кварцевые диориты превосходят по прочности граниты и сиениты.

Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и анортозиты.

Габбро — порода в свежем состоянии темно-серого или почти черного цвета, что объясняется темной окраской плагиоклазов и вы­соким содержанием цветных минералов. В результате вторичных изменений плагиоклазы приобретают светло-серый и зеленовато­серый цвет. Типичное габбро состоит примерно из равного количе­ства натриево-кальциевого шпата и моноклинного пироксена В очень малых количествах в габбро могут присутствовать оливин, ромбический пироксен, роговая обманка, биотит. Постоянными компонентами габброидов являются магнетит и титаномагнетит.

Анортозиты представляют собой темноокрашенные породы, состоящие почти из одного натриево-кальциевого полевого шпата — лабрадора. Эти породы благодаря иризирующему свойству (иризация — яркий цветной отлив на гранях или плоскостях спайности лабрадо­ра) применяют в строительстве в качестве облицовочного камня.

Для пород группы габбро характерна плотность 2,9-3,0 кг/м3, большая прочность (при сжатии 200-300 МПа) и достаточно высокая стойкость против выветривания.

Красивый вид и хорошая полируемость позволяют применять наиболее декоративные разновидности габбровых пород и лабрадо - риты с синим оттенком для облицовки памятников (памятник Неиз­вестному солдату в Москве) и ряда других выдающихся сооружений.

Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым оттен­ком, обычно среднезернистой структуры. Текстура массивная, не­редко пятнистая или полосатая. В составе перидотитов присутству­ют оливин в количестве 30-70% и пироксены 70-30%. Используются для получения щебня. Свойственная текстура не позволяет исполь­зовать их в качестве штучного камня, а большая твердость камня вызывает большие расходы при разработке месторождений.

Излившиеся (эффузивные) горные породы

Магматическая порода, образовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и занимающая по условиям залегания и структуре промежуточное положение между глубинными и из­лившимися породами. При кристаллизации магмы в приповерхност­ных условиях образуются полнокристаллические неравномернозер­нистые и неполнокристаллические структуры.

Среди неравномернозернистых структур выделяют порфиро­видные и порфировые структуры. Порфировидные структуры обу­словлены наличием относительно крупных кристаллов на фоне пол­нокристаллической основной массы породы. Порфировые структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов — порфировых вкрапленников, погруженных в стекловидную основ­ную массу породы.

Структура — существенный признак, определяющий физико­механические свойства породы. Наиболее прочными являются рав­номернозернистые породы, тогда как породы такого же минерально­го состава, но крупнозернистой порфировидной структуры быстрее разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях температур.

Из магматических пород в строительстве наиболее широко при­меняют кварцевые и бескварцевые (полевошпатовые) порфиры. Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощение у порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие наличия круп­ных вкраплений.

Бескварцевые (полевошпатовые) порфиры по своему составу близки к сиенитам, но в связи с иным генезисом обладают худшими физико-механическими свойствами.

Излившиеся горные породы образовались в результате излияния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, поэтому в большинстве случаев они состоят из отдельных кристаллов, вкрап­ленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую массу.

Излившиеся породы в результате неравномерного распределе­ния минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются при выветривании и под воздействием внешних условий, а также обна­руживают анизотропность механических свойств.

Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся порис­тые. К плотным излившимся породам относят трахиты, липариты, андезиты, базальты, диабазы.

Трахиты. По своему минеральному и химическому составу тра­хиты схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел проч­ности при сжатии трахитов невысок (60-70 МПа), а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко обрабатываются, но не поли­руются, используют как кислотоупорный материал и отчасти в каче­стве строительного камня.

Излившиеся аналоги гранитов представлены липаритами. Сре­ди излившихся пород кислого состава широко распространены вул­канические стекла с полным отсутствием или небольшим количест­вом кристаллов.

Некоторые вулканические стекла после термической обработки применяют в виде «вспученного перлита», обладающего рядом цен­ных свойств — малой плотностью, большой пористостью, малыми звуко - и теплопроводностью и т. д.

Андезиты — излившиеся аналоги диоритов — порода серого или желтовато-серого цвета, порфировой структуры, с плотной основной массой. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую обманку, некото­рые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристалличе­ская или стекловатая, текстура — массивная или пористая. Физико­механические свойства сходны со свойствами базальтов. Плотность андезитов — 2700-3100 кг/м3, предел прочности при сжатии — 140— 250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе большое количество роговой обманки или пироксенов, отличаются более высокими техни­ческими качествами, чем биотитсодержащие разновидности. Андези­ты применяют в качестве кислотостойкого материала — облицовоч­ных изделий, в виде щебня для кислотоупорного бетона.

Базальты — излившиеся аналоги габбро — породы черного цве­та, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые, иногда порфировые. Плотность базальтов — 2700-3300 кг/м3; предел прочности при сжатии колеблется в широких пределах — 110— 500 МПа, в среднем •— 200-250 МПа. Базальты ввиду большой твер­дости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Применяют главным образом в качестве бутового камня и щебня для бетонов, в дорожном строительстве (для мощения улиц); особо плот­ные породы используют в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным материалом для литых каменных изделий.

Диабазы — порода мелкозернистая, по составу аналогичная габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура пол­нокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы имеют черный цвет, выветренные — зеленовато-серый. Диабазы отличают­ся высокой твердостью, прочностью (300-400 МПа на сжатие) и вяз­костью, что связано с большим содержанием в их составе железо­магнезиальных силикатов и свойственной этим породам структурой. Диабазы мало изнашиваются и в виде брусчатки применяются для мощения дорог и улиц.

К пористым излившимся породам относят пемзу, вулканические туфы и пеплы, туфолавы.

Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, обра­зовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом. Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2-2,5 г/см, плотность 0,3-0,9 г/см (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы обусловливает хо­рошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор — достаточную морозостойкость. Пемза служит заполнителем в лег­ких бетонах (пемзобетоне). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. В качестве абразивного материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, полировки каменных изделий.

Месторождения пемзы относятся к вулканическим и встречают­ся в областях распространения действующих и потухших вулканов.

Вулканический пепел — наиболее мелкие частицы лавы, об­ломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулка­на. Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вул­канических взрывах. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является активной минеральной добавкой.

Вулканические туфы — горные породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и дру­гих, впоследствии уплотненных и сцементированных. Цементом ту­фов является вулканический пепел, глинистое или кремнистое веще­ство, иногда с примесью продуктов разложения пепла.

Туфолава — горная порода, занимающая промежуточное поло­жение между пеплом и туфом. Образование туфолав связывают с быстрым вспениванием лав при резком падении давления и связан­ным с этим дроблением вкрапленников и стекла без разрыва сплош­ности лавового потока. В состав вулканических туфов и туфолав входят Si02, А1203, Fe203 и др.

Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются вы­ветриванию, малотеплопроводны и, несмотря на большую порис­тость, морозостойки. Они легко обрабатываются, распиливаются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.

Типичным представителем туфолав является артикский туф, до­бываемый в Армении. При истинной плотности около 2,6 г/см3 плотность породы колеблется в пределах от 750 до 1400 кг/м3. Соот­ветственно пористость ее составляет 70-46%. Теплопроводность арктикского туфа меньше, чем обыкновенного кирпича, что позволя­ет уменьшить толщину наружных стен зданий. Прочность туфов на­ходится в тех же примерно пределах, что и у обыкновенного кирпи­ча, т. е. от 5 до 15 (иногда до 30) МПа.

Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких перекры­тий. Используются они также в качестве декоративного камня, чему благоприятствует наличие туфов разных цветов — лиловых, желтых, красных, черных и др. Применяются туфы и в виде щебня для легких бетонов.