книги / Строительные материалы

роды образовались при застывании магмы на разной глубине в земной коре, излившиеся — при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и застывании на поверхности или в приповерхностных слоях земной коры.

1. Главные породообразующие минералы

Основные породообразующие минералы магматичес­ ких пород: кварц и его разновидности; полевые шпаты; железисто-магнезиальные силикаты, слюды. Все эти ми­ нералы различаются по своим свойствам, поэтому преоб­ ладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способность к обработке (полированию, шлифованию и т. п.).

Кварц, состоящий из диоксида кремния (Si02) в кри­ сталлической форме — один из самых распространенных, прочных и стойких минералов. Он обладает исключитель­ но высокой прочностью при сжатии (до 2000 МПа) и вы­ сокой для хрупких материалов прочностью при растяже­ нии (около 100 МПа), а также высокой твердостью, ус­ тупающей только твердости топаза, корунда и алмаза. Кварц отличается высокой кислотостойкостью и вообще химической стойкостью при обычной температуре: из кис­ лот на него действует фтористоводородная кислота и го­ рячая фосфорная; едкие щелочи вступают в химическое взаимодействие с кварцем при повышенной температуре. Кварц плавится при температуре около 1700°С, поэтому широко используется в огнеупорных материалах.

Благодаря высокой прочности и химической стойкос­ ти кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, в состав которых он входит (на­ пример, при выветривании гранитов). Поэтому он явля­ ется также одним из самых распространенных минералов и в осадочных породах (в песчаниках и кварцевых пес­ ках).

Цв^т кварца может быть различным, но чаще всего встречаются бесцветный, молочно-белый и серый. Про­ зрачные, полупрозрачные и красиво окрашенные разно­ видности носят названия: горный хрусталь (водяно-про­ зрачный кристалл), аметист (фиолетовый), раухтопаз (дымчатый топаз), морион (черный).

В СССР впервые синтезирован новый класс искус­ ственных монокристаллов — фианиты на основе твердых растворов тугоплавких оксидов циркония и гафния. Фиа­ ниты по качеству превосходят многие природные минера­ лы: они отличаются высокой твердостью (8,5), устойчи­ вы к окислению на воздухе, имеют хорошие оптические

Как и кварц, они представляют собой светлые составные

плотность 2,57 г/см3, плавится при 1170°С, полное рас­ плавление при 1450°С. Встречается в кислых (гранитах) и средних (сиенитах) по кислотности магматических по­ родах.

Плагиоклазы «косораскалывакмциеся» образуют изо­ морфный ряд от альбита Na20- Al203-6Si0 2 или Na[AlSi30g], входящего в состав кислых пород, до анорита Ca0 -Al203>2Si0 2 или С а[AI2Si20 8] , характерного для основных пород (габбро, базальта 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 полево­ шпатовых песков). Выветривание полевых шпатов проис­ ходит под влиянием воды, содержащей углекислоту. Ре­ зультатом выветривания является новый минерал — као­ линит (важнейшая часть самой распространенной оса­ дочной породы — глины).

К цветным (темноокрашенным) минералам, встреча­ ющимся в магматических породах, относятся железомаг­ незиальные и магнезиальные силикаты.

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

Жёлезомагнезиальные силикаты — минералы темного цвета (от темно-зеленого до черного); для них характер­

ны твердость 5—6, высокая плотность (3—4 г/см3) и прочность на сжатие (300—400 МПа), а также повышен­ ная вязкость при ударах. Эти минералы передают свой темный цвет и высокие механические свойства основным породам габбро, диабазу, в которых они содержатся в значительном количестве.

Слюды, встречающиеся в гранитах и некоторых дру­ гих. магматических породах, относятся к группе алюмоси­ ликатов. Мусковит — почти бесцветная калиевая слюда, полупрозрачна, тугоплавка и химически стойка. Био­ тит— магнезиально-железистая слюда черного цвета вы­ ветривается легче, чем мусковит. Твердость слюд 2—3, для них характерна совершенная спайность в одном на­ правлении. Встречаются другие разновидности слюд — флогопит, гидрослюды.

Алюмосиликаты (слюды) понижают прочность пород, ускоряют их выветривание и затрудняют шлифование и полирование, так как в результате совершенной спайно­ сти слюды весьма легко разделяются на очень тонкие пластинки. Слюды встречаются и в песках, где также считаются вредной примесью: бетоны и строительные растворы на песке с значительным содержанием слюды обладают пониженной морозостойкостью.

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

2. Глубинные (интрузивные) горные породы

Магматические горные породы, образующиеся в раз­ личных геологических условиях, различаются по своим строительно-техническим свойствам (табл. 2.1). Особен­ ности строения горных пород, зависящие от условий об­ разования, выражаются в структурных и текстурных признаках.

Структура определяется степенью кристаллизации и размерами зерен, а также формой и взаимными отноше­ ниями составных частей горной породы. При медленном остывании магмы в глубинных условиях (рис. 2.2) воз­ никают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди кристаллических пород выделяют: крупно­ зернистые (средний размер зерен более 5 мм), средне­ зернистые (1—5 мм) и мелкозернистые (0,5—1 мм), а

Рис. 2.3. Типы структур (схемы)

а — неравномерно-зернистая (порфировая); б — равномерно-зернистая

расположением и распределением составных частей по­ роды относительно друг друга в занимаемом ими прост­ ранстве. Подавляющее большинство магматических по­ род характеризуется массивной текстурой.

Наиболее общие свойства 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 низким водопоглощением, морозостойки 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 на сжатие 100—300 МПа; плот­ ность 2600—3000 кг/м3; ведопоглощение 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

Т А Б Л И ЦА 2.1. ПОКАЗАТЕЛИ СВОЙСТВ ВАЖНЕЙШИХ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

сульфидов. Граниты имеют высокую механическую проч­ ность на сжатие —120—250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных мате­ риалов, относительно невысокое и составляет около 7зо—'До сопротивления сжатию.

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

Важнейшее свойство гранитов — их малая пористость (непревышающая 1,5%), что обусловливает водопоглощенне около 0,5 % (по объему). Поэтому морозостой­ кость их высокая. Огнестойкость гранитов недостаточна,

Граниты, как и большинство других плотных магматиче­ ских пород, обладают высоким сопротивлением истира­ нию.

Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему В основном от окраски полевых шпатов: они могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными. Различ­ ные сочетания отдельных компонентов и изменение струк­ туры обусловливают разнообразие цветов, оттенков и рисунка гранитов, поэтому они являются прекрасным об­ лицовочным материалом. Высокая прочность на сжатие и морозостойкость гранитов позволяют применять их для защитной облицовки набережных, устоев мостов, цоко­ лей зданий, а также в качестве щебня для высокопроч­ ных и морозостойких бетонов. Кроме этого, благодаря значительной кислотостойкости гранитов их используют в качестве кислотоупорной облицовки.

Граниты как наиболее распространенные из глубин­ ных магматических пород широко используют в строи­ тельстве; Остальные глубинные породы (сиениты, дио­ риты, габбро и.т. п.) как менее распространенные в при­ роде применяются в строительстве значительно реже.

* Сиениты. Горные породы группы сиенитов составля­ ют около 2,6 % магматических пород. Цвет этих пород зависит от цвета полевых шпатов и поэтому они окраше­ ны в розовые, серые и зеленоватые тона. Сиениты состо­ ят из калиевых (50—70 %) и натриевых полевых шпатов (10—30%), цветных минералов (10—20%). Если при­ сутствует кварц (10—15 %), то породу называют квар­ цевым сиенитом. По физико-механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им по 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 об­ манка, поэтому эти породы темнее гранитов. В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат (45—50%). Гранодиориты по механической прочности уступают гра­ нитам, что связано с меньшим содержанием кварца. По­ добно гранитам, они находят в строительстве самое раз­ нообразное применение — от бута и щебня до облицовоч­ ного и скульптурного камня.

* Диориты и кварцевые диориты. — породы серого цве­ та; состоят они из плагиоклаза (65—70 %) и роговой обмДн'кй; иногда с пироксенами или биотитом, составляю­ щими около 25—30 %• Структура породы равномернозернистая, среднеили мелкозернистая. Текстура массив-

вб

ная или пятнистая, что обусловлено; наличием обособле­ ний (шлиров), обогащенных темноцветными минералами. Кварцевые диориты характеризуются присутствием 5— 20 % кварца и меньшим содержанием роговой обманки. Структура и текстура аналогичны диоритам.

Плотность диоритов 2,9 г/см3, предел прочности при сжатии 150—300 МПа. Наиболее прочны диориты с мел­ ко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с повышенным содержанием роговой обманки. Разновид­ ности, включающие биотит, имеют пониженную проч­ ность. Диориты и особенно кварцевые диориты превос­ ходят по прочности граниты и сиениты.

* Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и анартозиты.

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

Анортозиты представляют собой темноокрашенные породы, состоящие почти из одного натриево-кальциево­ го полевого шпата — лабрадора. Благодаря иризирующему свойству этих пород (иризация — яркий цвет­ ной блеск на гранях или плоскостях спайности лабрадо­ ра) их применяют в строительстве в качестве облицовоч­ ного камня.

Для пород группы габбро характерна плотность 2,9—3,3 г/см3, большая прочность (на сжатие 250—500 МПа) и достаточно высокая стойкость против выветри­ вания. Красивый вид и хорошая полируемость габбровых пород и лабрадоритов позволяют применять их в ка­ честве ценной облицовки. Так, темные и светлые лабрадориты с синим оттенком использованы для облицовки Мавзолея В. И. Ленина, памятника Неизвестному сол­ дату в Москве и других уникальных сооружений.

Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым оттенком, обычно среднезернистой структуры. Текстура массивная, нередко пятнистая или полосатая» В составе

перидотитов присутствует оливин (30—70 %) и пироксены (70—30%). Используются для получения щебня. Свойственная перидотитам текстура не позволяет исполь­ зовать их в качестве штучного камня, кроме того, разра­ ботка месторождений перидотитов связана с большими расходами.

3. Излившиеся (эффузивные) горные породы

Такие породы образовались в результате излияний магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности зем" ли, поэтому они имеют стекловатую, скрытокристаллическую или порфировую структуру.

Порфиры образуются при остывании магмы на не­ больших глубинах (см. рис. 2.3, а). При кристаллизаций магмы в приповерхностных слоях образуются полнокрИ' сталлические неравномернозернистые и неполнокристаЛ* лические структуры. В связи с тем, что скорость выделе­ ния минералов из магматического расплава при еГ° кристаллизации различна, не все минералы успевают в одинаковой степени выкристаллизоваться и принять свойственную им форму. Порфировые структуры харак­ теризуются наличием хорошо образованных кристаЛлов — порфировых «вкрапленников», погруженных в стекловидную основную массу породы.

Структура породы определяет ее физико-механичес­ кие свойства. Наиболее прочными являются равномерН0" среднезернистые породы, тогда как породы такого же ми­ нерального состава, но крупнозернистой порфировидной структуры быстрее разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях температур.

В строительстве применяют кварцевые и бескварце-

вые (полевошпатовые) порфиры. Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Проч­ ность, пористость, водопоглощение порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими грани­ там. Но порфиры более хрупки и менее стойки при коле­ баниях температуры вследствие крупных вкраплений.

Различают эффузивы: излившиеся плотные и излив> шиеся пористые. К плотным, кроме порфиров, относят липарит, трахит, андезит, базальт, диабаз. Излившиеся аналоги гранитов представлены липаритами, в стеклова. той основной массе которых имеются вкрапленник^ кварца и полевого шпата.

Трахит по своему минеральному и химическому сос­ таву схож с сиенитом, но более порист. Трахит легко об­ рабатывается, но не полируется. Трахит используют как кислотоупорный материал и в качествестроительного камня.

Андезит — излившийся аналог диорита, порода серого или желтовато-серого цвета порфировой структуры с плотной основной мдссой. Андезит содержит плагиоклаз, роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структу­ ра может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура массивная или пористая. Плотность анде­ зитов 2,7—3,1 г/см3, предел прочности при сжатии 140— 250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе боль­ шое количество роговой обманки пли пироксенов, отли­ чаются более высокими техническими качествами, чем биотитсодержащие разновидности. Андезиты применяют в качестве кислотостойкого материала — облицовочных изделий и в виде щебня для кислотоупорного бетона.

Базальт — излившийся аналог габбро, порода темно­ го цвета, очень плотная, скрытокристаллическая или тон­ козернистая, иногда порфировая. Базальт состоит из плагиоклаза, авгита (нередко оливина). Плотность ба­ зальта 2,9—3,3 г/см3, предел прочности при сжатии ПО—500 МПа. Базальт ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатывается, но хорошо полирует­ ся. Применяют в качестве бутового камня и щебня для бетонов. При наличии благоприятной отдельности (пла­ стовой, призматической; рис. 2.4) применяют в дорож­ ном строительстве в виде брусчатки и шашки (для моще­ ния дорог); равномерно-зернистые разновидности исполь­ зуют для облицовок. Базальт является сырьевым материалом для литых каменных изделий и базальтового волокна.

Диабаз — порода мелкозернистая, по составу анало­ гичная габбро, но с типичной диабазовой микрострукту­ рой (структура полнокристаллическая, представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располага­ ются зерна цветных минералов). Диабаз имеет темный цвет, выветренный — зеленовато-серый. Диабаз отлича­ ется высокой твердостью, прочностью (300—400 МПа на сжатие) и ударной вязкостью, что связано с большим со­ держанием в его составе железомагнезиальных силика­ тов и свойственной этим породам структурой. Поэтому диабаз издавна применяют в виде брусчатки для моще-