Строительные материалы и изделия

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Природными каменными материалами называют материалы и из­делия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалы­ванием, распиливанием и т. п.) горных пород.

Природный камень наряду с древесиной бьи первым строительным материалом, используемым человеком. Из глубины веков пришли к нам памятники архитектуры, возведенные из природного камня: одно

54

It і древнейших культовых сооружений Стоунхендж в Англии, пирами­ды в Египте, храмы Древней Греции. Средневековые замки и храмы, «(« троенные из природного камня, можно найти в каждой стране. И и наши дни практически все монументальные постройки выполняются к использованием природного камня.

і И риродный камень, применяемый непосредственно как строитель­

ный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью. ІХншцовка зданий и сооружений природным камнем, а также исполь - мовапие камня в интерьере зданий придает им не только архитектурную выразительность, но и респектабельность и Высокая

ктой кость природных каменных материалов делает их незаменимыми НШІ гидротехнических сооружений, дорожного и мостового строитель - рва и во многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокую долговечность сооружения.

Пористые камни, такие, как известняк-ракушечник или вулкани­ческий туф, очень эффективны как местный материал для возведения Ьтсн, вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов, Так как энергозатраты на их добычу несравнимо меньше, чем на обжиг кирпича или изготовление бетонных панелей и блоков (с учетом Производства цемента и арматуры).

Огромное количество природных каменных материалов использу - f гея в качестве сырья для получения большинства строительных мате­риалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ. Миллионы Кубометров песка, щебня и гравия расходуются на получение бетонов И растворов.

Природные каменные материалы занимают одно из основных мест и ряду строительных материалов. Общая доля затрат в строительстве па эти материалы, называемые «нерудными материалами», превышает >0 %.

Знакомство с природными каменными материалами целесообразно начинать с изучения свойств основных горных пород и минералов.

1'орной породой называют крупное скопление, сложенное из одного

Пли нескольких минералов (т. е. моно - или пояиминераяьные породы) п .характеризующееся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов в горной породе оп­ределяет ее минеральный состав. Форма, размер и взаимное располо­жение минералов, наличие пор и т. п: обусловливают ее структуру. Минеральный состав и структура определяют свойства горной породы.

Среди горных пород выделяется специфическая группа пород — руды. Они содержат в своем составе металлы в таких соединениях и Концентрациях, при которых возможно промышленное извлечение этих металлов. В данном учебнике они не рассматриваются.

Минерал (от лат. minera — руда) — природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в резуль­тате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве -- твердые тела: кристалличе­ские и аморфные.

В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породо­образующими.

Каждый минерал обладает комплексом только ему присущих свойств и признаков. К ним относятся: химический состав и строение, плотность, твердость, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, светопреломление и др.). По этим признакам идентифицируют мине­ралы.

Твердость — наиболее характерное свойство минералов. Существу­ет много методов определения твердости (см. § 2.5), простейший из них — метод оценки относительной твердости по десятибалльной шка­ле (табл. 4.1), предложенной немецким геологом Ф. Моосом (1811 г.).

Характерным признаком минералов, имеющих кристаллическое строение, является спайность — способность минерала раскалываться по строго определенным плоскостям. Так, слюда имеет весьма совер­шенную спайность в одной плоскости; совершенная спайность у кальцита — он практически всегда раскалывается по трем плоскостям, образуя косые параллелепипеды. Спайность отсутствует, например, у кварца, кристаллы которого при ударе раскалываются на неправильные куски, имеющие раковистый излом.

( иайность — свойство с точки зрения строителя отрицательное, ні к как уменьшает стойкость и прочность соответствующей горной породы и ухудшает ее обрабатываемость (шлифовку, полировку). Ниже приводится краткая характеристика основных породообра - юіцих минералов.

Минералы группы кремнезема Si02 — ряд минералов, представляю - • их собой модификации диоксида кремния — кварц, опал и халцедон.

Кварц — наиболее распространенная модификация кремнезема, яв- ■ иощаяся существенной составной частью многих горных пород (гра­нта, кварцита, песка и др.). Плотность кварца — 2650 кг/м3, твер - и к'ть — 7, стойкость к выветриванию и химическая стойкость — очень высокая. Прочность при сжатии кристаллов кварца высокая —

11) 00...2000 МПа. Плавится кварц при 1710° С; при быстром охлаждении расплава образуется кварцевое стекло. При температуре 573° С кварц рсходит из p-модификации в a-модификацию с увеличением в •■и, емс на 0,82 %. Это может вызвать растрескивание кварцесодержа - 11X1 юрод при нагреве их выше этой температуры. Обычно цвет кварца молочно-белый; крупные прозрачные кристаллы кварца называют щ>ным хрусталем, окрашенные в лиловый цвет — аметистом.

Халцедон — скрытокристаллическая разновидность кварца, содер­жащая до 1,5 % воды и примеси оксидов железа и алюминия.

■ ()пал ~ гадрат оксида кремния Si02 • яН20 (содержание воды 2... 3 4 %); ■опале могут быть примеси оксидов магния, алюминия, железа и др. Встречается в породах органогенного происхождения: диатомитах, ■ИЧІСЛЄ и др.

Щ Нолевые штаты (от нем. Spalten— раскалываться) — группа алю - Иосшшкатов щелочных и щелочноземельных металлов общей форму - ■>й Me • А1203 • wSi02 (где Me — калий, натрий или кальций). Полевые Килты — самые распространенные минералы, составляющие более В) % от массы изверженных пород (гранитов, сиенитов, габбро и др.). Иианнейшими разновидностями полевых шпатов являются:

■ ортоклаз(прямораскалывающийся) К20 • А1203 • 6Si02;

I плагиоклазы (косораскалывающиеся) непрерывного изоморфного шла от альбита Na20 • А1203 • 6Si02 до анортита СаО • А1203 • 2Si02. I Полевые шпаты — довольно твердые минералы: твердость — 6...6,5. ■иайность у них проявляется в двух плоскостях.. Плотность в зависи­мости от состава — 2500...2800 кг/м3. Температура плавления —

І200...15000 С. Прочность и стойкость несколько ниже, чем у кварца 1/?,ж до 200 МПа).

I 1 (вег полевых шпатов зависит от примесей и чаще всего бывает от Іслого до темно-серого и от светло-розового до темно-красного, шсобым декоративным эффектом отличается относящийся к группе ■олевых шпатов лабрадор, обладающий свойством ирризации (от греч. wi. s — радужный). Он образует яркие радужные сине-зеленые отсветы pi глубины кристаллов. .

При выветривании полевых шпатов образуются глинистые мине­ралы (каолинит, монтмориллонит и др.) и соли натрия, калия и кальция, обогащающие воду морей ионами Na+, К+, Са+2.

Железистомагнезиальные силикаты — темноокрашенные минера­лы, входящие в состав основных и ультраосновных изверженных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Наиболее распространенные мине­ралы этой группы — пироксены, амфиболы, роговая обманка и оливин.

Средняя плотность у этих минералов больше, чем у кварца и полевых шпатов, за счет присутствия железа — 3200...3800 кг/м3; твер­дость — 5,5...6,5. Отличительная черта железистомагнезиальных сили­катов — высокая ударная вязкость, благодаря чему породы, в которых присутствуют эти минералы, имеют меньшую хрупкость и повышенную износостойкость. Цвет минералов этой іруппьі — от темно-зеленого до черного; он зависит от содержания железа в их составе. Все минералы

Слюды — группа минералов, представ. гшющих собой водные алю­мосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. легко расщепляющиеся на тон­чайшие пластинки. Твердость слюд не высока — 2,5...3. Слюда — ши­роко распространенный минерал изверженных и осадочных пород. Общее количество слюды составляет несколько процентов от массы всей земной коры, но промышленные месторождения слюды с круп­ными кристаллами (10 см2 и более) встречаются редко. Среди слюд наибольшее распространение имеют мусковит и биотит.

Мусковит— прозрачная калиевая слюда плотностью 2750...3000 кг/м3. Вплоть до XVIII в., т. е. до начала промышленного выпуска стекла, мусковит применяли для устройства окон, и в Европе его называли «vitrum Moscovitum» — стекло из Московии. В настоящее время муско­вит применяют в качестве электроизоляционного высокотемператур­ного материала, защитной (бронирующей) посыпки для рубероида, а также добавляют в составы огнеупорных красок и декоративных рас­творов.

Биотит — темная железистомагнезиальная слюда; плотность —

3000.. .3300 кг/м3. Для строителей представляет интерес ее разновид­ность — вермикулит с молекулярной межслоевой водой. Благодаря этому вермикулит при нагревании до 900... 1000° С вспучивается, как гармошка, увеличиваясь в объеме в 15. ..20 раз. Вспученный вермикулит применяют для изготовления тепло - и звукоизоляционных материалов.

Асбест — группа минералов, водных силикатов магния и железа, кристаллы которых представляют собой тончайшие волокна, легко поддающиеся распушке (отсюда народное название асбеста — «горный лен»). В России находятся крупнейшие в мире месторождения наиболее ценного вида асбеста — хризотил-асбеста 3MgO • 2Si02 • 2Н20, ис - 58

рии. іусмого при производстве асбестоцементных изделий (подробнее I* « 14.5).

■ Глинистые минералы — группа водных силикатов алюминия. Эти

■Ингрлшл составляют основную массу глин. Образуются глинистые Шшсралм в результате выветривания полевых шпатов в виде очень її их частиц размером не более 0,01 мм, которые, в свою очередь, ■і ганляют афегаты мельчайших кристаллов. Глинистые минералы

И' 'фильны и при увлажнении образуют пластичное тело (подробнее ■' • , 4.2). Среди глинистых минералов чаще всего встречаются каоли - ■иі и монтмориллонит.

I Каолинит А1203 • 2Si02 • 2Н20 — очень мягкий (твердость 1) мине - Ьп белого цвета. Используется при производстве тонкой керамики, 1цн получения бумаги и в качестве наполнителя в полимерных мате - іиа/шх.

I Монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава.

імер его чешуйчатых кристаллов еще меньше, чем у каолинита, Шииодаря чему он обладает высокой адсорбционной способностью и ■чгнь пластичен в увлажненном состоянии.

I Карбонаты — фуппа минералов, представляющих собой соли рольной кислоты. Всфечаются в основном в осадочных породах. Стойкость минералов невысокая. Основные представители минералов группы карбонатов — кальцит, магнезит и доломит.

I Кальцит СаС03 — один из наиболее распространенных минералов поверхностного слоя земной коры. Кальцит хрупок, обладает совер­шенной спайностью по трем плоскостям; при раскалывании всегда пбразует кристаллы в виде косых параллелепипедов. Кальцит без примесей — прозрачный. Его плотность составляет 2700...2750 кг/м3, рердость — 3. Он легко разлагается кислотами, с бурным выделением р лскислого газа, растворяется в воде насыщенной С02. При нафева - ІІИИ выше 850° С кальцит разлагается на СаО и С02. Породы, сложен­ные из кальцита (мел, известняк, мрамор), характеризуются низкой мимической и атмосферостойкостью.

[ Магнезит MgC03 по свойствам близок к кальциту, но всфечается рішчительно реже. Плотность — около 3000 кг/м3, твердость — 3,5...4,5. В отличие от кальцита растворяется в разбавленных кислотах лишь при Нагревании. Образует породу того же названия.

Доломит СаС03 • MgC03 — довольно распросфаненный минерал, |)о свойствам занимающий промежуточное положение между кальци­том и магнезитом. Плотность — 2800...2900 кг/м3, твердость — 3,5...4. В кислотах растворяется без «вскипания». Образует породу того же названия.

Сульфаты — группа минералов, представляющих собой соли сер­ной кислоты. В строительстве находят применение гипс, ангидрит и в Меньшей степени барит. .

Гипс CaS04 • 2Н20 — очень мягкий минерал. В чистом виде про­зрачный, но обычно окрашен примесями в светло-серый, желтоватый или розоватый цвет, а его плотность — 2320 кг/м3, твердость — 2. Гипс заметно растворим в воде (2,4 г/л при 20° С). В природе встречается как самостоятельная порода и как цементирующее вещество в природ­ных конгломератах.

Ангидрит CaS04 — безводная разновидность гипса —- существует в нескольких кристаллических формах. Природная форма — j3-CaS04 — нерастворимый ангидрит. Плотность — 2980 кг/м3, твердость — 3...3,5. Цвет светло-серый, серо-голубой; за счет полупрозрачное™, дает эффект свечения изнутри.

Барит BaS04 — бесцветные или белые кристаллы; твердость —

3.. .3,5; плотность — 4300...4700 кг/м3. Его применяют в бетонах и растворах для защиты от ионизирующего излучения.