2.2. Изучение свойств горных пород

Горные породы образовались в результате геологических, химических и других процессов, происходивших в земной коре в течение миллионов лет. От условий образования в значительной степени зависят физико-механические свойства горных пород.

Р из осадочных пороДис. 2.3. Генетическая классификация горных пород.

Генетическая классификация горных пород представлена на рис. 2.3, в соответствии с ней породы делятся на три группы:

Магматические (первичные) породы образовались при извержении магмы из недр земли. При застывании магмы на разной глубине в земной коре образовались глубинные горные породы: граниты, сиениты, диориты, габбро и др. Они имеют плотное кристаллическое строение, так как остывание магмы происходило медленно и под большим давлением.

Гранит – зернисто-кристаллическая порода (рис.2.4), состоящая из трех основных минералов: кварца (20…40%), полевых шпатов (40…70%), слюды (5…20%); строительные свойства гранита очень высоки: плотность 2600…2700 кг/м³, предел прочности при сжатии – 100-250 МПа.

Рис. 2.4 Структура гранита под микроскопом (зернисто-кристаллическая).

Прочность при растяжении в30…40 раз ниже, чем при сжатии. Малая пористость и низкая водопроницаемость обуславливают высокую морозостойкость (F>1000). Они обладают высокой твердостью (>6 по шкале Мооса), химической стойкостью, обладают высокими декоративными свойствами, особенно после полировки. Серый, розовый, темно-красный цвет гранитов определяется прежде всего цветом полевого шпата. Применяют его для облицовки зданий и сооружений.

Сиенит – аналог гранита но в нем отсутствует кварц, его называют бескварцевым гранитом.

Диорит – мелко-кристаллическая порода темно-серого цвета, состоящая в основном из полевых шпатов (примерно 75%) и темноокрашенных минералов. Отличается повышенной прочностью, высокой ударной вязкостью, что обуславливает ее применение в дорожном строительстве.

Габбро – крупнокристаллическая порода темносерого, темнозеленого до черного цветов. Характеризуется высокой морозостойкостью, стойкостью против выветривания.

Излившиеся породы образовались при застывании магмы на поверхности: порфиры, диабазы, базальты и др. В результате извержения магмы вместе с парами и газами образовались пористые горные породы: вулканические пеплы, пемзы, рыхлые туфы.

Рис. 2.5 Структура излившихся пород под микроскопом (порфировая).

Излившиеся плотные породы имеют аморфную (стекловидную) или слабозакристаллизованную структуру. Для них характерна порфировая структура (рис.2.5), представляющая из себя вкрапления кристаллов в аморфной массе. Каждая излившаяся порода является аналогом глубинной породы:

• кварцевый порфир – аналог гранита, имеет вкрапления кристаллов кварца, очень декоративен;

• порфирит – аналог диорита, имеет вкрапления кристаллов полевых шпатов;

• базальт – аналог габбро, имеет стекловатую или скрытокристаллическую структуру, прочность при сжатии достигает 500 МПа, очень твердый и хрупкий. Одна из самых распространенных излившихся пород, применяется для производства щебня, для каменного литья, получения минеральной ваты (базальтовое волокно).

Излившиеся пористые породы встречаются в виде порошкообразных, кусковых или сцементированных отложений. Вулканический пепел и песок состоят из мелких стеклообразных частиц, обладающих гидравлической активностью. Они используются как минеральные активные добавки при производстве вяжущих, в частности портландцемента. В Древнем Риме пепел вулкана Везувий применялся для повышения водостойкости бетонов на извести. Добавки из вулканических пород получили название «пуццолана» по названию местечка у подножия вулкана. Отсюда произошло название «пуццолановый цемент».

Пемза – пористая горная порода в виде кусков размером 5…100 мм, плотностью 500…1000 кг/м³. Высокая (до 80%) пористость обуславливает низкую теплопроводность – 0,14…0,23 Вт/(м^оС). Пемзу используют для производства легких бетонов, минеральных вяжущих и тд.

Вулканические туфы – образовались в результате цементации пеплов. Это пористая горная порода с низкой плотностью (_о=800…1800 кг/м³), теплопроводность в 1,5…2 раза ниже, чем кирпича; замкнутая пористость обуславливает высокую морозостойкость. Цвет туфов очень разнообразный – от красно-оранжевых до коричнего-лиловых оттенков. Туфы используют как облицовочный материал, как эффективный материал для кладки стен. Особенно широко представлен туф в архитектуре столицы Армении Ереване, где находится крупнейшее месторождение туфов.

Осадочные (вторичные) породы образовались из магматических пород в результате процессов выветривания и разрушения (обломочные породы), химического выпадения осадков из воды (хемогенные породы), а также в результате жизнедеятельности растений (органогенные породы).

Механические осадочные горные породы бывают рыхлые (песок, гравий, глина) и сцементированные (брекчии, конгломераты, песчаники). Так, кварцевый песок образуется при выветривании гранита, когда более слабые частицы (полевой шпат) разрушились, а кварц как наиболее химически стойкий материал сохранился.

Сцементированные осадочные породы образовались из рыхлых осадков, сцементировавшихся природным цементом. Так, из зерен песка образовались песчаники, из зерен гравия - конгломераты, из зерен природного щебня – брекчии.

Органогенные породы – в основном состоят из карбонатов кальция (кальцит, СаСО₃), из аморфного кремнезема (SiO₂·nН₂О ). К ним относятся известняки плотные, содержащие, кроме кальцита, примеси магнезита, глины, кремнезема. Цвет известняков в зависимости от примесей: белый, желтоватый светло-серый, серовато-кремовый. Прочность известняков составляет 10…100 МПа, твердость небольшая (3…3,5), что обуславливает его хорошую обрабатываемость. Морозостойкость нуждается в постоянном контроле, т.к. может изменяться в широких пределах в зависимости от пористости, степени цементации, примесей

Известняки – одна из важнейших пород для строительной индустрии: их используют для производства щебня, извести, цемента. Издавна они использовались для возведения зданий, облицовки (Москва – «белокаменная», Белград). Известняк-ракушечник – пористая порода, состоящая из панцирей и раковин моллюсков, сцементированных известковым цементом. Плотность – 900-2000 кг/м³, прочность при сжатии 0,5-0,15 МПа, обладает низкой теплопроводностью, хорошо поддается распиловке; из него изготавливают стеновые блоки; облицовочные блоки.

Мел – землистая горная порода, состоящая из мельчайших обломков раковин и скелетов морских микроорганизмов, состоит почти из чистого кальцита (СаСО₃). Обладает низкой прочностью. Используют при производстве извести, цемента, стекла, при производстве лакокрасочных материалов.

Хемогенные осадочные породы – образовались, главным образом, при испарении вод, содержащие минеральные соли: сульфаты, карбонаты кальция, магния и др.

Гипс – горная порода белого или серого цвета, состоящая из минерала того же названия (СаSO₄·2Н₂О), обладает невысокой водостойкость, низкой твердостью. Применяют для получения гипсовых вяжущих, изготовления поделок и др.

Ангидрит – плотная порода белого цвета с голубым или серым оттенком, состоит из минерала ангидрита СаSО₄, легко выветривается, превращаясь в гипс. Используют для получения ангидритовых вяжущих, внутренней отделки, скульптурных работ и т.п.

Магнезит – порода сероватого цвета. Состоит из минерала магнезита MgCO₃, используют при производстве магнезиальных вяжущих, огнеупоров.

Доломит – порода сероватого цвета, состоящая из минерала доломита СаСО₃·MgCO₃, примесей глины, оксидов железа и др. По структуре и свойствам близок к плотным известнякам. Его применяют при производстве магнезиальных вяжущих, щебня и др.

Метаморфические (видоизмененные) породы образовались из магматических и осадочных горных пород под воздействием давления, повышенных температур, минерализованных вод. В результате этих воздействий они существенно изменили структуру и свойства, не изменив практически свой химический состав. Продуктом метаморфизма гранита являются гнейсы, известняка – мрамор, кремнистого известняка – кварциты.

Мрамор – состоит из плотно сросшихся между собой кристаллов кальцита (СаСО₃), иногда с примесями доломита (СаСО₃·MgCO₃), без цементирующего вещества. Он образовался в земной коре из известняков под действием выских температур и давления. Имеет высокую плотность и прочность, водопоглощение менее 1%. Твердость мрамора всего 3…3,5, это обуславливает его легкую обрабатываемость. Полированные плиты из мрамора широко применяют для отделки гражданских и общественных зданий и сооружений. Мраморы имеют характерный «мраморовидный» рисунок с цветовой палитрой от белого до черного цветов. Цвет мрамора зависит от минералов, кристаллизовавшихся в нем в процессе метаморфизации – гематита, хлорита, лимонита и др. Особенно ценится итальянский мрамор имеющий большое многообразие цветовой гаммы. К недостаткам мрамора можно отнести:

• низкую твердость, он плохо сопротивляется истирающим нагрузкам, поэтому он не рекомендуется для полов с большой интенсивностью движения;

• низкая влаго- и кислотостойкость, поэтому он не рекомендуется для наружных облицовок, т.к. в атмосфере городов всегда присутствуют окиси SO₃ и CO₂, легко превращающиеся к кислоту.

Кварциты – образовались из кремнистых песчаников, состоят из сросшихся между собой кристаллов кварца. Они прочны, стойки к выветриванию, кислотостойки. Высокая твердость (7) затрудняет их обработку. Встречаются белого, красного, вишневого цветов. Применяют для облицовки, для ответственных частей зданий и сооружений, для производства огнеупоров, щебня.

Гнейсы – слоистая порода, образовавшаяся из гранита путем его перекристаллизации под действием высоких температур и давления. Сланцеватое строение облегчает их добычу и обработку, они легко раскалываются слоями. Из них изготавливают плиты для облицовки набережных, полов и др. целей.

В таблице 2.3 представлены свойства основных горных пород. Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, плиты, архитектурно-строительные изделия, изделия специального назначения (для гидротехнических сооружений, мостов, тоннелей, дорожного строительства). Различают три основных вида обработки камня:

• резание - наиболее современный процесс обработки камня с помощью твердосплавных, алмазных, карборундовых инструментов;

• скалывание - обработка с помощью скалывающих инструментов с получением рельефа, повышающего декор ативный эффект;

• шлифование - придание поверхности камня гладкости, в плоть до зеркального блеска;

Таблица 2.3