Природные каменные материалы

Общие сведения

Строительные материалы из природного камня применяются с глубокой древности. До наших дней сохранилась пирамида фараона Хеопса и большой сфинкс в Египте, выполненные из известняка (ХХVIII в. до н. э.), развалины Парфенона Греции, построенные из мрамора (447 – 438 гг. н. э.), Коллизея в Риме – из туфа, травертина, мрамора (75-80 гг. н. э.) и многие другие.

В Беларуси природные каменные материалы широко применяются в строительстве. Прежде всего следует назвать Минский метрополитен и здание Минского железнодорожного вокзала, при возведении которых применялись материалы из природного камня.

Горные породы

Горными породами называются минеральные массы, образующие геологические тела. Они состоят из минералов.

В зависимости от условий образования горные породы подразделяются на три вида: первичные – изверженные (магматические), вторичные – осадочные, видоизмененные – метаморфические.

Горные породы служат сырьевой базой для промышленности строительных материалов. Применяются для изготовления минеральных вяжущих веществ, керамических материалов, строительного стекла, щебня, гравия, песка для дорожного строительства, бетонов и растворов, облицовки зданий, сооружений и многих других целей.

Породообразующие минералы

Минералами называют составные части горных пород, однородные по химическому составу и физическим свойствам. Если горная порода состоит из одного минерала, она называется мономинеральной, если из двух и более – полиминеральной.

В настоящее время известно около 5000 минералов. В образовании же горных пород преимущественно участвуют 25 минералов. Основными породообразующими минералами являются кремнезем, алюмосиликаты, железистомагнезиальные силикаты. карбонаты, сульфаты.

Минералы группы кремнезема. К минералам этой группы относят кварц. Он может находиться как в кристаллической, так и аморфной форме.

Кристаллический кварц в виде диоксида кремния SiO₂ – один из самых распространенных минералов в природе. Средняя плотность его составляет 2,65 г/см³, предел прочности при сжатии – до 2000 МПа, твердость – 7, имеет высокую химическую стойкость – его разрушает только фтористоводо-родная и горячая фосфорная кислоты. Является составной частью гранитов, сиенитов, песков, песчаников. Характерным свойством кристаллического кварца является способность вступать в химическое взаимодействие с известью при температуре 150–200 °С в среде насыщенного пара в автоклавах. Используя это свойство, получают силикатные материалы.

Аморфный кремнезем встречается в виде опала SiO₂· nH₂O. Вступает в химическое взаимодействие со щелочами при обычной температуре. Применение его в бетонах в качестве заполнителей может привести к их разрушению через 10–15 лет. Часто служит цементом в осадочных горных породах.

Минералы группы алюмосиликатов – полевые шпаты, слюды, каолиниты.

Полевые шпаты составляют 58 % всей литосферы и являются самыми распространенными минералами. Разновидности их ортоклаз и плагиоклазы.

Ортоклаз – калиевый полевой шпат К₂О·Al₂О₃·6SiО_2,имеет среднюю плотность 2,57 г/см³, твердость – 6,5. Является основной частью гранитов, сиенитов.

Плагиоклазы – минералы, состоящие из смеси твердых растворов альбита и анортита.

Альбит – натриевый полевой шпат Na₂O·Al₂O₃,· 6SiO₂, имеет среднюю плотность 2,6 г/см³, твердость – 6–6,5.

Анортит-кальциевый полевой шпат СаО·А l ₂о₃·2Sio₂ имеет среднюю плотность 2,6 г/см³, твердость 6–6,5.

Плагиоклазы входят в состав кислых и основных горных пород.

Предел прочности полевых шпатов при сжатии составляет 120–170 МПа, что ниже прочности кварца. Они выветриваются под воздействием воды, содержащей углекислоту, в результате чего образуется каолинит.

Слюды – водные алюмосиликаты слоистого строения, способные расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее часто встречаются два вида – мусковит и биотит. Мусковит – калиевая бесцветная слюда К₂О·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O или КAl₂(OH,F₂)·(AlSi₃O₁₀). Обладает высокой химической стойкостью, тугоплавка. Биотит – железисто-магнезиальная слюда черного или зелено-черного цветов К₂О·Аl₂O₃· 6(Mg,Fe)O· 6SiO₂· 2H₂O или К (Мg, Fe)₃ (OH,F)₂· (Al Si₃O₁₀).

Слюды имеют твердость 2–3. Мусковит встречается в изверженных и осадочных породах, биотит – в изверженных.

Водной разновидностью слюды является вермикулит. Он образован из биотита в результате воздействия гидротермальных процессов. При нагревании вермикулита до 750 °С теряется химически связанная вода, в результате чего объем его увеличивается в 18–40 раз. Вспученный вермикулит применяют в качестве теплоизоляционного материала.

Слюды понижают прочность горных пород и ускоряют их выветривание.

Каолинит Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O – минерал, получаемый в результате разрушения полевых шпатов и слюд. Залегает в виде землистых рыхлых масс. Применяют для изготовления керамических материалов.

Железистомагнезиальные силикаты. Минералами этой группы являются пироксены, амфиболы и оливин.

К пироксенам относят авгит, состоящий из Са (Mg, Fe, Al) [(Si, Аl)₂O₆] и входящий в состав габбро, к амфиболам – роговую обманку, состоящую из Si, Al, Ca, Mg, Fe, Na, О, H и входящую в состав гранитов. Оливин входит в состав диабазов, базальтов, габбро. Продукт выветривания оливина – хризотил-асбест 3МgO·2SiO₂·2H₂O. Эти минералы являются силикатами магния и железа и имеют темную окраску. Они обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания.

Минералы группы карбонатов. К ним относят кальцит, магнезит, доломит. Они входят в состав осадочных горных пород.

Кальцит СаСО₃ имеет среднюю плотность 2,7 г/см³, твердость – 3. Вскипает при воздействии слабого раствора соляной кислоты. Входит в состав мела, известняков, мрамора, травертинов.

Магнезит MgCO₃ имеет среднюю плотность 3,0 г/см³, твердость – 3,5–4. Вскипает от горячей соляной кислоты. Образует породу с тем же названием.

Доломит СаСО₃·МgCO₃ имеет плотность 2,8–2,9 г/см³, твердость –3,5–4. По свойствам занимает среднее положение между кальцитом и магнезитом. Входит в состав мраморов. Образует породу с таким же названием.

Минералы группы сульфатов – гипс и ангидрит.

Гипс СаSO₄·2H₂O имеет среднюю плотность 2,3 г/см³, твердость 1,5–2,0, цвета – белый, серый, красноватый. Строение кристаллическое. Хорошо растворяется в воде. Образует породу – гипсовый камень.

Ангидрит СаSO₄ имеет среднюю плотность 2,9–3 г/см³, твердость – 3–3,5, строение кристаллическое. При насыщении водой переходит в гипс.