617

Разновидность биотита — вермикулит («червячок») — продуктхимическогоизменениябиотита с пониженным содержанием K2O и увеличенным содержанием воды. При нагревании до 300 °С вермикулит расслаивается, разделяясь на длинные червеобразные нити. При этом увеличивается в объеме в 20–25 раз. Используется как теплоизоляционный материал.

Хлорит — 5(Mg, Fe)OAl2O33SiO24H2O («хлорос» — по-гре-

чески, зеленый). Цвет от светло-зеленого до темно-зеленого. Твердость — 2, плотность — 2,7 г/см3, спайность весьма совершенная, блеск стеклянный.

Встречается в виде тонкочешуйчатых масс. Происхождение метаморфическое, встречается в составе

кристаллических сланцев.

В воде не растворяется, но интенсивно разрушается под действием атмосферных агентов. Практического применения не имеет.

Глинистые минералы — коллоидно-дисперсные алюмосиликаты, распространенные в виде мелких частиц (мельче 0,005 мм). Они слагают глинистую фракцию глин и суглинков и обуславливаютихфизико-механическиесвойства(пластичность, набухание и др.).

Наиболее распространенными из них являются: каолинит, монтмориллонит,гидрослюда.

Каолинит — Al2O32SiO22H2O. Твердость — 1, плотность — 2,6 г/см3, цвет белый, желтоватый, красноватый, бурый (за счет окислов железа).

Излом землистый, блеск — матовый. Обычно каолинит образует землистые, легко растираемые пальцами массы. Спайность весьма совершенная, поэтому на ощупь — жирный, скользкий. Происхождение осадочное. Образуется при химическом выветривании — каолинизации алюмосиликатов, чаще полевых шпатов. При воздействии на полевые шпаты (ортоклаз) углекислого газа и воды происходит химическая реакция:

K2OAl2O36SiO2 + nH2O + CO2 = Al2O32SiO22H2O + K2CO3 +

+4SiO2nH2 O.

Витоге на месте выветривания остается каолинит, а углекислый калий и гидрогель кремнезема переходит в раствор и выносятся. Зачастую частицы каолинита размываются водой и во

21

взвешенном состоянии переносятся в конечные водоемы, где отлагаются, накапливаются и формируют пласты чистой каолиновойглины.

Каолинит входит в состав тонкодисперсной фракции глинистых грунтов.

Вводе не растворяется, при взаимодействии с ней образует пластичную пасту.

Применяется в керамической промышленности — производствекирпича, черепицы, фарфора, фаянса.

Монтмориллонит — магнезиальный водный силикат слож-

ного состава — Mg3(OH)4Si4O8(OH)2nH2O. Образует землистые массы. Твердость — 1, плотность — 2,0 г/см3, цвет от белого до розовато-красного. Блескматовый, спайностьсовершенная, сложениемелкочешуйчатое,на ощупь—мягкий,жирный.Обладает подвижной кристаллической решеткой, благодаря чему спосо-

бен поглощать большое количество воды и сильно увеличиваться в объеме (набухать).

Происхождение осадочное, образуется в результате химического выветривания основных магматических пород.

Вчистом виде встречается редко, обычно входит в состав глинистойфракцииглинистыхгрунтов,обуславливаяихвысокую пластичность, набухание при увлажнении и усадку при высыхании.

Обладая хорошими адсорбирующими свойствами, применяется при очистке продуктов перегонки нефти, в керамической промышленности.

Гидрослюды — это гидротизированные слюды (гидромусковит, гидробиотит, вермикулит), представляют собой продукты

химического выветривания соответствующих слюд. Образуют землистые матовые массы. Твердость — 1, плотность — 2,5 г/см3, цвет светло-коричневый.

Вводе не растворяются, встречаются в составе глинистых грунтов, обладают средней набухаемостью.

Припрокаливаниисильновспучиваются,расщепляясьнатонкие листочки, увеличиваются в объеме. Используются как теплоизоляционныйматериал.

22

1.4. Рекомендации к изучению минералов

Приопределении минераловза главныйпризнак следуетпринимать их твердость.

По твердости выделяются следующие группы минералов: твердость – 1 — графит, каолинит, монтмориллонит, гидро-

слюды; твердость – 2 — гипс, галит, мусковит, биотит, хлорит;

твердость – 3 — кальцит, ангидрит, серпентин, барит; твердость – 4 — доломит, магнезит, лимонит, малахит; твердость – 5 — опал; твердость – 6 — ортоклаз, альбит, лабрадор, пирит, авгит,

роговая обманка, родонит; твердость – 7 — кварц, халцедон, оливин.

После определения твердости определяются остальные свойства. По набору свойств устанавливается название минерала.

Для лучшего запоминания составьте таблицу свойств минералов (табл. 2).

Таблица 2

Свойства минералов

В заключение изучения минералов проводится контрольный опрос по заданию № 1.

Контрольное задание № 1

Зная физические свойства минералов, определить два образца минералов из контрольной коллекции. Разрешается пользоваться шкалой твердости, раствором соляной кислоты.

Порядок ответа:

Характеристика физических свойств минерала (твердость, цвет, спайность, излом, блеск).

По совокупности признаков дать название минерала, его химическую формулу.

23

Охарактеризовать происхождение.

Осветить характер взаимодействия с водой и внешней средой (устойчивость к выветриванию).

Рассказать о применении минерала в строительстве или его влияниинастроительныеконструкции.

2.ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

2.1.Происхождение горных пород, строение

Горные породы представляют собой плотные или рыхлые агрегаты одного или нескольких минералов, т.е. любая горная порода(гранит,мрамор, песок,глина)состоитизкристалловили обломков минералов.

Естественным геологическим признаком для классификации различных горных пород, слагающих земную кору, является их происхождение (генезис).

По происхождению выделяют три группы горных пород:

—магматические, образованные при остывании расплавленной магмы;

—осадочные, образующиеся на поверхности Земли в процессе отложения продуктов разрушения ранее существовавших пород (обломочные, химические осадки, минеральные и органические остатки различных организмов);

—метаморфические, образованные в недрах Земли в процессе воздействия на ранее существовавшие породы (магматические и осадочные) высоких температур, давления и газов.

Каждая из этих генетических групп пород существенно отлична отдругихи обладаетрядомтолькоейприсущих, характерных признаков и свойств. Важнейшие из них: минеральный состав, структура, текстура, условия залегания, характер структурных (межминеральных) связей и физико-механические свойства, — являются следствием особенностей образования горных пород и последующего их преобразования в земной коре.

Минеральный состав пород представлен: кристаллическими зернами минералов у магматических и метаморфических пород; обломками минералов и пород, кристалликами солей, скрыто зернистых минеральных масс и минеральных остатков различных организмов у осадочных пород.

24

Породы, состоящиеизодногоминерала, называют мономинеральными, из несколькихминералов — полиминеральные

Структурой называется строение породы, обусловленное состоянием минерального вещества (кристаллическое, обломочное, аморфное) и размером составных минеральных составляющих. Различают кристаллическую (крупно-, мелкозернистую), стекловатую, обломочную и другие структуры.

Текстура — сложение породы, обусловленное относительным расположением и распределением минеральных частиц в ее объеме. Текстура является диагностическим признаком при определении происхождения горных пород. Различают следующие основные виды текстур:

—массивная — характерна для магматических пород; минералы располагаются в объеме породы равномерно по всем направлениям;

—слоистая — характерна для осадочных пород; минеральные частицы слагают слои, прослойки;

—сланцеватая — характерна для большинства метаморфических пород; минеральные зерна имеют удлиненную, листоватую форму и располагаются в породе параллельно друг другу.

2.2.Физические свойства горных пород

Любая горная порода состоитиз минеральной массы (твердая фаза) и пор, пустот, трещин. Поры, пустоты могут быть заполнены водой (жидкая фаза) или воздухом (газообразная фаза). Числовые значения, характеризующие количественное содержание различных фаз в породе, называют фазовыми характеристиками, илипоказателями физических свойствпороды (рис. 1).

Основнымипоказателямифизическихсвойствпороды,характеризующими твердую фазу, являются плотность минеральной части, плотность породы и плотность сухой породы (плотность скелета).

Плотность породы (грунта) — масса единицы объема породыестественногосложенияи природнойвлажности, определяется по формуле:

= m / V.

Измеряется при лабораторных исследованиях в г/см3, в строительной практике т/м3. Масса породы складывается из массы минеральной части и массы воды, находящихся в породе.

25

Рис. 1. Схема фазового состава породы: V – объем породы; Vs – объем минеральной части (скелета); Vp – объем нор, пустот; V – объем жидкой фазы; Vг – объем газа; т – масса породы; ms – масса твердой фазы (минеральной части); т – масса жидкой фазы (воды)

Плотность минеральной части породы — отношение мас-

сы минеральных частиц к их объему, г/см3,

s = ms / Vs

зависит от плотности минералов, слагающих породу.

Плотность сухой породы (скелета) — отношение массы

минеральной части к объему породы естественного сложения, г/см3:

d = ms / V.

При определении плотности сухой породы в отличие от плотности породы исключается масса воды в ней.

Пористость. Минералы, слагающие породу, при неплотном прилегании друг к другу образуют поры, пустоты и трещины различнойвеличины.Приизучениипородпоровуюитрещинную пустотность объединяют термином «пористости» породы. От пористости и размера пор, трещин зависит прочность горных пород и их водопроницаемость.

Пористостью называется суммарный объем всех пор в единице объема породы. Величина пористости определяется как отношение объема пор к объему породы, выраженное в процентах

n = (Vp / V) 100 %.

Значениепористости горных пород изменяется в очень широких пределах — от долейпроцентов унетрещиноватых магматических до 90 % у осадочных дисперсных пород.

26

Часто пористость характеризуется коэффициентом пористости, определяемым как отношение объема пор в породе к объему минеральной части ее (скелету):

e = Vp / Vs.

Измеряется коэффициент пористости в долях единицы. Изменение коэффициента пористости с увеличением нагрузки позволяет оценить сжимаемость породы, так как при ее уплотнении объем скелета остается неизменным, а уменьшается объем пор.

Содержание жидкой фазы в породе оценивается через влажностьи коэффициентводонасыщения.

Влажность — отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой (минеральной части) породы:

= m / ms.

Измеряется в долях единицы (или в процентах), определяется путем высушивания породы при температуре 105–110 °С и взвешивания до и после просушки.

Коэффициент водонасыщения Sr — степень заполнения пор водой, определяется по формуле

Sr = V / Vp.

Измеряется в долях единицы, изменяется от 0 до 1.

3.ГРУНТЫ, ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Винженерной геологии и строительной практике обычно используетсятермингрунт,подкоторымпонимаютсягорныепороды, находящиеся в сфере строительно-хозяйственной деятельности человека, это:

— горные породы, на которых возводятся инженерныесооружения;

— горные породы, в толще которых сооружаются подземные сооружения;

— породы, из которых возводятся насыпи дорог.

ВсоответствиисдействующимвнашейстранеГОСТ25100–95, все грунты подразделяются на четыре класса [1].

1. Класс природных скальных грунтов. Внего входят грунтысжесткими(кристаллизационнымиицементационными) структурными связями. Кристаллизационные связи образуются

впороде при раскристаллизации магматического расплава. Це-

27

ментационные связи возникают при выпадении из водного раствора химических солей цемента.

К классу скальных грунтов относятся магматические, метаморфические и осадочные сцементированные горные породы.

Оценка прочностискальныхгрунтов осуществляетсяповеличине показателей предела прочности и коэффициента крепости.

Предел прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc, МПа, определяется по формуле

Rc = F / А,

гдеF— нагрузка, при которой образец грунта раздавливается;

А— площадь поперечного сечения образца.

Взависимости отвеличиныпределапрочности, МПа,выделяются разновидности скальных грунтов:

очень прочные — (более 120);

прочные — (120–50);

средней прочности — (50–15); малопрочные — (15–5); пониженнойпрочности—(5–3); низкой прочности — (3–1); очень низкой прочности — (менее 1).

Грунты с пределом прочности менее 5 МПа относятся к полускальным, это преимущественно хемогенные породы, теряющиепрочностьпри воздействии воды (гипс, мел, ракушечник).

Кроме того, разновидности скальных грунтов выделяются по степени растворимости в воде (как и минералов, см. разд. 1.2

стр. 5); покоэффициентувыветрелости K r(отношениеплотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта) грунты разделяются согласно табл. 3.

Таблица 3

Разновидности скальных грунтов по коэффициенту выветрелости

Коэффициент крепости характеризует грунт по степени устойчивости егов подземных транспортных выработках. Опре-

28

деляетсяпо величинепредела прочностина одноосноесжатиепо формуле

fкр = Rc / 10

более точно коэффициент крепости определяется по формуле Л.И. Барон:

fкр Rс Rс .

30 3

Измеряется в безразмерных единицах. Предложен проф. М.М. Протодьяконовым.Используетсяприпроектированиигорныхтранспортныхтоннелей,метрополитенов.Повеличинекоэффициента крепости все грунты подразделяются на 10 категорий. На величинуfкр влияют минеральный составгрунта, трещиноватость, выветрелость, поэтому один и тот же грунт может характеризоватьсяразличнымизначениямикоэффициента крепости и относится к различным категориям (например, fкр гранита изменяется от 6 до 15, табл. 4).

Класс природных дисперсных грунтов. Грунтысостоят из отдельных обломков пород и минералов разного размера, рыхлого сложения (песок) или слабо связных (глина). К этому классу относятся осадочные горные породы (обломочные, органоминеральные и органические).

Класс природных мерзлых грунтов. Грунты имеют отрицательную температуру, содержат в своем составе ледяные включения, лед —цемент, с криогеннымиструктурными связями.

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов. Грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека.

29

4.СКАЛЬНЫЕ МАГМАТИЧЕСКИЕ ГРУНТЫ

Взависимости от условий, в которых происходит остывание магмы, магматические грунты разделяются на две подгруппы: интрузивные и эффузивные, отличающиеся друг от друга по

структуре [7].

Интрузивные грунты имеют полнокристаллическую струк-

туру,состоятизхорошоразличимыхкристалловминералов.Они образовались на глубине в результате остывания магмы, внедрившейся (интрузия — внедрение. — лат.) в толщу земной коры. Остывание происходило медленно в условиях высокого давления,вследствиечегопроизошлаполнаяраскристаллизация вещества магмы. Интрузивные грунты залегают в виде массивов: батолитов, лакколитов, межпластовых интрузивных тел и даек (рис. 2).

30