Строительные материалы и изделия

Осадочные горные породы

Процессы, происходящие при образовании осадочных горных пород и их классификация. Первичные (изверженные) горные породы, находящиеся на земной поверхности, подвергаясь вы­ветриванию (см. подразд. 4.6), постепенно превращаются в рых­лые продукты разрушения, которые ветром, льдом и главным образом водой сносятся в более низкие места, закрытые водные бассейны, моря и океаны, где происходит их осаждение. Произо­шедшие таким образом горные породы называются вторичными, или осадочными.

Вода может переносить продукты разрушения двумя путями: механически (мелкие частицы — во взвешенном состоянии, а крупные частицы — перекатывая по дну) и в виде водного ра­створа (растворимые продукты). В зависимости от этого и образо­вание осадка происходит либо в результате механического выпа­дения частиц из потока (при замедлении течения реки), либо в результате выделения растворимого вещества в осадок при испа­рении воды или в случае химических реакций, в результате кото­рых образуются нерастворимые соединения. Кроме того, образо­вание осадка происходит в результате жизнедеятельности низших животных или растительных организмов.

По происхождению осадочные породы подразделяются на ме­ханические осадки (или обломочные породы), физико-химиче­ские осадки и органогенные породы (рис. 4.3). В свою очередь, механические осадки подразделяются на рыхлые и сцементиро­ванные, а органогенные породы — на зоогенные и фитогенные. Зоогенные породы произошли в результате жизнедеятельности жи­вотных, а фитогенные — в результате жизнедеятельности расти­тельных организмов.

Минералогический состав осадочных горных пород представ­лен минералами, приведенными в табл. 4.3.

В осадочных породах, таких как механические осадки, могут встретиться все минералы первичных пород. Однако для осадоч­ных горных пород характерны свои, присущие только им минера­лы. В то время как в магматических породах преобладают соли сла­бых кислот (кремневой и алюмокремневой), в осадочных горных породах силикаты и алюмосиликаты играют подчиненную роль, уступая первое место солям сильных кислот (угольной, серной и Т. Д.).

Кальцит (известковый шпат) встречается в составе извест­няков и мраморов как в виде правильно образованных кристал­лов, так и в виде сплошной массы разнообразного сложения, зер­нистой или плотной. Чистый кальцит бесцветен; при наличии же примесей он бывает сероватым (или белым) или окрашенным в светлые оттенки голубого, желтого, бурого и других цветов. Каль­цит характеризуется совершенной спайностью по трем направле­ниям. Его распознают по реакции с соляной кислотой, с которой он хорошо реагирует даже на холоде, выделяя с характерным вспе­ниванием углекислый газ. Растворимость кальцита в обычной воде ничтожно мала, однако он хорошо растворяется в воде, содержа­щей С02. Это свойство кальцита лежит в основе образования ряда известковых пород. Его также нужно учитывать при использова­нии строительного камня из пород, богатых СаС03.

Магнезит в природе встречается в составе одноименной по­роды. Магнезит используется для изготовления огнеупорных изде­лий и вяжущего вещества — каустического магнезита.

Доломит по химическому составу представляет собой двой­ную соль углекислых кальция и магния. Он встречается как в кри­сталлическом виде, так и в виде зернистых (реже — землистых) масс в составе породы с таким же названием. Доломит применя-

Магматические горные породы?

Выветривание

t

Перенос ___ I

ется, как и магнезит, при производстве огнеупоров и для получе­ния вяжущего вещества — каустического доломита.

Различают эти минералы по действию соляной кислоты. Маг­незит не реагирует с соляной кислотой ни при каких условиях, а доломит реагирует с соляной кислотой, но плохо; при нагрева­нии он выделяет С02. В горных породах кальцит и доломит сопут­ствуют друг другу в различных соотношениях.

Гипс и ангидрит представляют собой сернокислые соли кальция и образуют породы с одноименными названиями. Гипс может иногда являться цементирующим веществом в песчаниках. В отличие от гипса ангидрит не содержит кристаллизационной воды. Однако он медленно присоединяет воду, постепенно пере­ходя в гипс. Ни тот, ни другой как строительные камни не упот­ребляются. Главное применение гипса и ангидрита — получение гипсовых вяжущих веществ.

Каолинит образуется при выветривании полевых шпатов и является главной составной частью многих глин. Чистый каоли­нит имеет белый цвет, землистый вид, на ощупь слегка жирен и легко рассыпается.

Водный кремнезем в осадочных породах в отличие от магматических горных пород присутствует не только в кристалли­ческом состоянии (в виде кварца), но и в аморфном виде, часто в соединении с водой (Si02 ■ лН20); таким является, например, опал, содержащий до нескольких процентов воды. Водный аморфный кремнезем слагает такие осадочные горные породы, как диатомит и трепел, а также является очень прочным природным цементи­рующим веществом, заполняя промежутки между зернами песка (в песчаниках) и кальцита (в известняках).

Виды структур осадочных горных пород. Зернисто-крис­таллическая (мраморовидная) структура — порода состоит из кристаллических зерен, ясно различимых невооруженным гла­зом или под микроскопом. В зависимости от размера зерен разли­чают мелко - (0,25...0,75 мм), средне - (0,75... 1,25 мм), крупно - (1,25...2,00 мм) и грубозернистую (2...3 мм) структуру.

Плотная (тонкозернистая) структура — зерна трудноотли­чимы друг от друга даже под микроскопом. Условно к плотным относятся породы зернисто-кристаллической структуры с разме­ром зерна менее 0,25 мм.

Оолитовая структура — порода состоит из шариков ради­ально-концентрического сложения, сцементированных природ­ным цементирующим веществом. Оолитовая структура характерна для оолитовых известняков.

Обломочная (кластическая) структура — порода состоит из обломков горных пород, сцементированных природным це­ментом. Такую структуру имеют песчаники, конгломераты и брек­чии.

Туфовая (пенистая) структура — структура пористых гор­ных пород.

Рыхлые механические осадки подразделяются по размеру частиц d на глину (d < 0,005), пыль (d = 0,005... 0,050), песок (d = = 0,05...5,00), щебень и гравий (d > 5 мм), булыжники и валуны (крупные камни).

Глина представляет собой мучнистую, тонкодисперсную по­роду, сложенную глинообразующими минералами: каолинитом, монтмориллонитом (А1203-4Si02‘лН20), гидрослюдами и неко­торыми другими, которые состоят из отдельных тончайших час­тиц (менее 1 мкм) пластинчатой формы, связанных между собой силами молекулярного притяжения.

Глины образуются в результате выветривания горных пород, богатых полевыми шпатами (гранита, сиенита, гнейса, порфира).

Песок может быть кварцевым, полевошпатовым, известко­вым, доломитовым и т. д. Речной, морской и озерный пески ха­рактеризуются окатанной формой зерен и гладкой поверхностью. Горный и овражный пески имеют угловатую форму и шерохова­тую поверхность зерен.

Большое количество песка расходуется при приготовлении стро­ительных растворов и бетонов, в дорожном деле — при устрой­стве оснований дорог и приготовлении асфальтобетона. Чисто квар­цевые (без примесей) пески высоко ценятся и употребляются как сырье в стекольной, керамической и металлургической промыш­ленностях.

Щебень является породой первичной по отношению к гра­вию; он образуется непосредственно из материнской породы при ее разрушении и состоит из обломков, имеющих угловатую, ост­рогранную форму.

Гравий образуется из щебня в руслах рек, по берегам морей и озер. Частицы гравия имеют окатанную форму и гладкую поверх­ность.

Гравий и щебень применяются в дорожном деле: в качестве балласта для железных дорог и как заполнитель для бетона.

Булыжники и валуны — обломки горных пород ледни­кового происхождения, по размерам превышающие гравий. Их ис­пользуют для получения щебня.

Сцементированные обломочные породы образуются из рыхлых отложений в результате их уплотнения и воздействия просачива­ющейся сквозь них воды, несущей в себе то или иное природное связующее вещество, которое, выделяясь из воды, цементирует обломки. К сцементированным породам относятся, например, песчаник (сцементированный песок), конгломерат (сцементиро­ванный гравий), брекчия (сцементированный щебень).

Песчаники различаются по виду цементирующего вещества. В порядке возрастания прочности их можно расположить следую­щим образом: глинистые; гипсовые; железистые; известковые; кремнистые.

Глинистые песчаники сцементированы глиной. Они малопроч­ны, размягчаются в воде и быстро выветриваются.

Гипсовые песчаники сцементированы гипсом, который раство­рим, а потому не обладают достаточной устойчивостью.

Железистые песчаники, сцементированные бурым или крас­ным железняком, обладают удовлетворительными качествами и могут быть использованы как строительные камни.

Известковые песчаники, цементирующим веществом в кото­рых является плотный или кристаллический кальцит, обладают высокой прочностью и устойчивостью. При значительном содер­жании в цементе MgC03 песчаники называются доломитовыми.

Кремнистые песчаники, роль цементирующего вещества в ко­торых выполняет кремнезем в виде кварца, халцедона или опала, обладают высокой механической прочностью, приближающейся к прочности магматических пород, малой истираемостью, боль­шой твердостью и огнеупорностью. К недостаткам кремнистых песчаников относится их трудная обрабатываемость.

В строительстве песчаники используются в качестве штучно­го камня, облицовочного материала, а также для изготовления щебня и т. д.

Конгломераты и брекчии бывают железистые, извест­ковые, кремнистые и др. В конгломератах сцементированы ока­танные обломки горных пород, а в брекчиях — угловатые.

Осадочные породы химического происхождения получились в ре­зультате осаждения вещества из истинных (путем кристаллиза­ции) и коллоидных (вследствие коагуляции) растворов.

Известняки представляют большую группу пород, сложенных в основном минералом кальцитом и различающихся происхожде­нием и структурой.

Различают зернисто-кристаллические известняки или мрамо­ры; плотные известняки, в которых зерна трудноотличимы нево­оруженном глазом; оолитовые известняки; мел; известковые туфы и известняки-ракушечники.

Подавляющая часть известняков загрязнена различными при­месями, наибольшее значение из которых имеют глина и угле­кислый магний. Смесь глины с известняком может быть настоль­ко совершенной, что невооруженным глазом не удается разли­чить отдельные частицы глины и известняка. Количество глины варьируется в широком диапазоне, так что имеется целый ряд переходных пород от известняка к глине: известняк — глинистый известняк — известковый мергель — мергель — глинистый мер­гель — известковая глина — глина. Аналогично примесь MgC03 дает две переходные от известняка к доломиту породы: магнези­альный известняк и известковый доломит.

Плотный (обыкновенный) известняк состоит из мелких зерен кальцита, связанных цементирующим веществом, чаще всего кальцитовым или известково-глинистым. Наиболее со­вершенные представители этой группы приближаются по струк­туре и свойствам к мраморам и называются мраморизованными известняками.

Обыкновенные известняки распространены в природе и ши­роко используются в строительстве в качестве штучного и бутово­го камня.

Известковый туф образовался в результате растворения углекальциевых пород и осаждения их в новом месте. Раствори­мость СаС03 сильно возрастает, если в воде содержится свобод­ная углекислота. Такая вода, просачиваясь в недрах земли через известняковые отложения, переводит карбонат кальция в раство­римый бикарбонат:

СаС03 + С02 + Н20 ^ Са(НСОз)2

Когда вода, содержащаяся в растворе Са(НС03)2, выходит на поверхность и давление падает до атмосферного, углекислота из нее улетучивается. При недостатке С02 реакция протекает в об­ратном направлении с выделением СаС03 в виде твердого осадка. Из-за выделения углекислого газа образуются сильно пористые, ноздреватые и ячеистые отложения СаС03, называемые известко­вым туфом. Благодаря малой плотности и достаточной прочности известковый туф используется в качестве стенового материала.

Оолитовый известняк состоит из концентрически сло­женных кальцитовых шариков, сцементированных углекислым кальцием. Внутри каждого шарика находится песчинка. Шарики образуются в водных потоках, когда взвешенные частицы обвола­киваются углекислым кальцием, выделяющимся из раствора по описанному ранее механизму. При достижении критических раз­меров шарики оседают на дно и цементируются той же солью. В за­висимости от размеров шариков порода называется икряным, или гороховым, камнем.

По техническим свойствам оолитовые известняки значительно уступают плотным. Их временное сопротивление сжатию состав­ляет около 20 МПа.

Осадочные породы органогенного происхождения выделились из воды морских или пресных бассейнов в результате жизнедеятель­ности низших животных (зоогенные породы) и растительных (фи­тогенные породы) организмов, в том числе бактерий.

Известняк-ракушечник — разновидность известняков, состоящая из раковин моллюсков различной степени сохраннос­ти, сцементированных между собой углекальциевой солью.

Цвет ракушечников — желтовато-белый, иногда серый или слабосиневатый. Они характеризуются высокой пористостью и

вследствие этого малой плотностью (около 1 300 кг/м3). Теплопро­водность ракушечников в 2 — 3 раза меньше, чем красного кирпи­ча. Благодаря малой твердости, особенно во влажном состоянии, ракушечники легко обрабатываются; их можно пилить обыкно­венной пилой и тесать топором. Они также обладают хорошей гвоз - димостью. Отрицательным качеством ракушечников является их сильное водопоглощение, поэтому требуется наружное оштукату­ривание зданий. Ракушечник является распространенным стено­вым материалом в южных районах России.

Диатомит — слабосцементированная кремнистая (сложен­ная аморфным кремнеземом) порода белого, светло-серого и жел­товато-серого цвета, состоящая из скоплений микроскопических скелетов водорослей-диатомей, радиолярий и губок.

Трепел — порода, вторичная по отношению к диатомиту, состоящая из мельчайших зерен опала или халцедона (разновид­ностей аморфного кремнезема). По своим физико-техническим свойствам трепел сходен с диатомитом. Обе породы применяются в качестве гидравлической добавки к цементу и извести как тон­кодисперсные наполнители в материалах на основе битумов, по­лимеров и т. д.

Опока — продукт цементации трепела кремнистым веществом.