1. Формирование и состав горных пород

Горные породы являются основным сырьём для получения таких материалов как природный камень, неорганические вяжущие вещества, стекла, керамические изделия, компоненты для бетонов и растворов, изделий из органических вяжущих и др.

Химический анализ толщи Земли до глубины 16 км показал присутствие элементов всей таблицы Д. И. Менделеева. Но есть преобладающие вещества и редкоземельные, которых в породах всего 10^-15%. Преобладают такие элементы как кислород – 47%, кремний – 27,6%, алюминий – 8,8%, железо – 5,1%, кальций – 3,6%, натрий – 2,64%, калий – 2,6%, титан – 0,6%, остальных ещё меньше. Всего – 92,2% от массы Земли. Эти элементы в чистом виде в природе не существуют, они составляют всё многообразие минералов, окисей, солей, простых веществ.

Минералом называют природное химическое соединение, однородное по химическому составу и физическим свойствам, возникшее в результате определённых физико-химических процессов, протекающих в земной коре. По своему происхождению минералы бывают неорганогенные (из расплавленной магмы, растворов, паров, газов) и органогенные, образовавшиеся в результате отмирания различных растительных и животных организмов. По агрегатному или фазовому состоянию минералы могут быть твёрдыми (кварц, полевой шпат, слюда, и т. д.), жидкими (нефть, вода, самородная ртуть), газообразными (СО₂). Минеральные тела могут находиться в коллоидальном состоянии, в котором частицы имеют ультрамикроскопические размеры – меньше 0,00001мм. Большинство твёрдых минералов, образовавшихся из раскалённой магмы при медленном остывании под давлением, имеют кристаллическую структуру (кварц, полевой шпат, гематит, корунд). Если росту кристаллов не препятствуют соседние кристаллы, то они приобретают правильную форму: кубическую, ромбическую, октаэдрическую и т. д.

Другие минералы остывали у поверхности земли под воздушными потоками или осаждались из воды, сформировалась аморфная структура (вулканическое стекло, пемза, опал). Если разная структура (кристаллическая или аморфная), то будут разные свойства, даже с одним химическим составом.

Изверженные (магматические) горные породы образовались из магмы – расплавленной силикатной массы, содержащей пары воды и газы. Её главными составными частями являются двуокись кремния SiO₂, оксиды: алюминия Al₂O₃, железа Fe₂O₃, кальция CaO, магния MgO, натрия Na₂O, калия K₂O.

Растворяясь в воде и взаимодействуя с кислотами, они образуют многочисленный класс силикатов и алюмосиликатов, составляющих 85 весовых процентов земной коры. Таким путём и при остывании раскалённой магмы сформировались минералы, переходящие почти без изменений из магматических в осадочные породы и затем в метаморфические. Это породообразующие минералы, названные так за их химическую и физическую стойкость: это кварц, железо-магнезиальные силикаты (роговая обманка и др.), безводные алюмосиликаты (полевые шпаты), водные алюмосиликаты (слюды). Вот такой основной состав с добавлением в долях процента других оксидов и есть у гранитов, базальтов, диоритов и др. минералов изверженных пород.

Находясь на поверхности земли, изверженные породы под воздействием влаги, газов и других факторов с течением времени покрываются мельчайшими трещинами, разрыхляющими верхние слои породы. В результате камень начинает «шелушиться». Этот процесс называется выветриванием. В зависимости от условий граниты разрушаются через сотни и даже тысячи лет. В результате породообразующие минералы после физического и химического выветривания изверженной породы появляются в осадочных породах: полевые шпаты, кварцевый песок, и другие.

Самым распространённым на Земле минералом является минерал, состоящий из трёх соединений – полевые шпаты: ортоклаз – K₂O ·Al₂O₃· 6SiO₂, альбит – Na₂O· Al₂O₃· 6SiO₂, анортит – СaO· Al₂O₃· 2SiO₂. По сравнению с другими породообразующими минералами полевые шпаты наиболее химически неустойчивый минерал, содержит в своём составе щелочные оксиды, которые при воздействии углекислоты превращают алюмосиликаты в водные соединения типа каолинита (Al₂O₃· mSiO₂· nH₂O) – основного породообразующего минерала глин, а также в аморфный кремнезём (частично кварц) и углекислый калий (карбонаты):

K₂Al₂Si₆O₁₆ + CO₂ + 2H₂O = H₂Al₂Si₂O₈·H₂O + 4SiO₂ + K₂CO₃.

Происходит каолинизация и карбонизация минералов, т. е. кремневая кислота в силикатах замещается угольной кислотой с образованием карбонатов. Из карбонатов породообразующим минералом в осадочных породах является и чаще встречается кальцит (известковый шпат) СаСО₃. Реже встречается магнезит – МgСО₃ и доломит – CaMg(CO₃)₂. В чистой воде, не содержащей углекислоту, кальцит растворяется в небольшом количестве – 0,03г на литр воды, магнезит практически не растворяется. Если вода содержит углекислоту, кальцит растворяется легко с образованием кислого углекислого кальция, хорошо растворимого в воде – Са(НСО₃)₂. Поэтому в природе известняки разрушаются под действием грунтовых вод, содержащих углекислоту, образующуюся при разрушении органических остатков. Таким же путём может разрушаться бетон, омываемый грунтовыми водами. Растворимость известняка ещё более увеличивается под воздействием сульфатов и хлоридов, а карбонаты, растворённые в воде, уменьшают её. Матовая поверхность известняка обусловлена высоким содержанием магния, а кристаллический блеск – наличием большого количества кристаллического кремнезёма – кремния. Если в известняках содержатся глины более 3-4%, то морозостойкость и водостойкость их снижаются, так как глины чрезвычайно влагоёмкий материал. Цвет известняков зависит от содержания в них углистых веществ, закисных соединений железа, пирита, оксидов железа и марганца.

Сульфиды – (пирит FeS₂) под воздействием кислорода и атмосферной влаги легко разрушаются и в процессе окислительно-восстановительной реакции образуются сернокислые газы, воздействующие разрушительно на другие минералы. Образующаяся серная кислота взаимодействует с большинством минералов и горных пород. Так карбонаты превращаются в сульфаты:

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ .

Вода является основным агентом химического выветривания. Даже атмосферная вода содержит в себе в растворённом состоянии некоторое количество углекислоты, кислорода и становится сильным растворителем. Действие усиливает грунтовая вода, которая может содержать органические кислоты, карбонаты, сульфаты за счёт разложения растительных остатков и некоторых минералов. Под воздействием этих факторов происходит растворение, восстановление и гидратация (внедрение молекул воды в кристаллическую решётку) минералов. Гидратация превращает сернокислый ангидрит в гипсовый камень:

CaSO₄ + 2H₂O → CaSO₄ ·2H₂O.

Процесс сопровождается увеличением объёма породы приблизительно в 1,5 раза и разрыхлением. Образовавшийся гипсовый камень имеет слабую твёрдость, по шкале Мооса всего 2.

Из полевых шпатов образуются водные силикаты, из железо-магнезиальных минералов – хлориты, ангидриты, переходящие в гипсовый камень. Появляются растворимые вещества: сульфаты, карбонаты, хлориды и нерастворимый остаток из водных окислов и силикатов, смешанных с устойчивыми породообразующими минералами: кварцем, цирконом, рутилом, эпидотом и др. Эти нерастворимые остатки являются основными компонентами глин и входят в состав песков.

Из растворимых веществ выносятся водой СаО и МgО, они поглощаются живыми организмами, образуя панцирь или раковину, остов водного растения. Кремнезём, переработанный морскими организмами, превращается в диатомиты, трепелы. Так формируются органогенные минералы, отложения химических осадков. Растворённый SiO₂ в виде коллоида уносится водой и также усваивается морскими микроорганизмами. Часть растворённого кварца заполняет трещины в породах, высыхая образует кремень, который постепенно цементируя рыхлые осадки, превращает их в конгломераты, песчаники, брекчии. Наиболее крепкими природными «цементами» являются кремнистый (кварц, опал или халцедон) и железистый растворы после испарения влаги. Известковый природный «цемент» менее прочен, еще менее прочно скрепляют гипсовые соединения и глиняное вяжущее.

Химический состав осадочных пород имеет те же оксиды: В песчаниках преобладает SiO₂ – до 78,33%, Al₂O₃ – до 4,77%, в глинистых породах SiO₂ содержится до 58,1%, Al₂O₃ – до 50%, железистых оксидов до 6,47%, К₂О – до 3,24%, СаО – до 3,11%, в известняках – кальцита - до 42,6%, SiO₂ – до 5,2%, MgO – до 7,9%.

Особую группу осадочных пород составляют органогенные углеродистые породы в виде твёрдых (угли, горючие сланцы), жидких (нефть) и газообразных веществ (метан). Эти горючие породы образовались при отсутствии кислорода в результате жизнедеятельности как растительных, так и животных организмов. В зависимости от стадии изменения различают угли бурые, каменные и антрацит. Порода, состоящая из не полностью перегнивших растительных остатков, носит название торфа.

Осадочные и изверженные породы, попадая в условия высокой температуры и давления, воздействия газов или растворов, просачивающихся в глубине, подвергаются метаморфизму, когда может измениться не только структура, но и минеральный состав породы. Формируются слоистые структуры – силикаты, содержащие в своём составе гидроксильные группы, глинозёмистые породы превращаются в слюды, сланцы. В условиях высокой температуры, которая с углублением в недра повышается, образуются пироксены, гранаты – плотно упакованные силикаты. Песчано-глинистые породы превращаются в гнейсы, известняки – в мраморы, песчаники в кварциты. Породообразующими минералами мраморов являются кальцит и доломит. Кроме них в мраморах содержатся прожилки кварца, пироксенов, оливинов, гранатов, роговой обманки. Эти примеси обусловливают окраску и рисунок мрамора.

Кварциты – плотный кислотоупорный камень, из которого получают динас. Динас – огнеупорный материал на известковой связке, содержащий не менее 94% SiO₂, 1,5% Al₂O₃.Динасовые изделия характеризуются высокой температурой начала деформации под нагрузкой, стойки к действию кислых шлаков, хорошо полируются и красивы. Применяются для кладки сводов мартеновских и стеклоплавильных печей, где температура поднимается до 1700°С, могут служить отделочным материалом.

Кристаллический кремнезём в осадочных породах встречается, главным образом, в виде кварцевого песка. Аморфный кремнезём содержится в таких породах как диатомиты, трепелы, опоки. В отличие от кристаллического аморфный кремнезём обладает большой химической активностью. Вступает во взаимодействие с известью (в присутствии воды) даже в нормальных условиях: Са(ОН)₂ + SiO₂ → СаО·SiO₂·nH₂O.

К скальным породам относятся изверженные и метаморфические породы, известняки и доломиты с не разрушенными кристаллизационными структурными связями, песчаники с карбонатным и кварцевым скреплением и часть пород с аморфными упругими связями – песчаники с опаловым «цементом», кремнистые туфы и т.п. К полускальным породам относят мергель, опоку. Устойчивость глинистых пород зависит от степени их увлажнения.

Неорганические отходы промышленного производства – шлаки, золы, шламы, вскрышные и пустые породы содержат те же оксиды и могут органично соединяться с вяжущими, вступая в реакцию, если не содержат вредных примесей. Наиболее применяемыми в строительстве являются шлаки. Их производят быстро охлаждая шлаковый расплав, образующийся при выплавке чугуна, получаются гранулы, называемые доменным гранулированным шлаком. Это пористые стекловидные или кристаллические кусочки размером 2-8мм, плотностью 2,8-3,0г/см³. Химический состав шлака, в зависимости от состава исходной руды содержит в % масс.: CaO – 30-40; Al₂O₃ – 4,5-20; SiO₂ – 33-44; Fe₂O₃ – 0,3-0,8; MgO – 1,5-15; MnO – 0,3-3,0. Способность к твердению тонкомолотого шлака (гидравлические свойства) оценивается отношением основных оксидов к кислым и этот показатель должен находиться в пределах 1,2-1,65, его определяют по химическому составу шлака.

В тонкомолотом виде доменный шлак может быть использован в качестве самостоятельно твердеющего вяжущего вещества, например, со щёлочью, а также в смеси с портландцементным клинкером и известью. При самостоятельном твердении происходит медленная гидратация с водой стекловидной фазы и кристаллических фаз в шлаке (2CaO∙SiO₂) с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция. Процесс твердения ускоряется в присутствии щелочных активаторов (шлако-щелочное вяжущее).

Доменный гранулированный шлак входит в состав портландцементов с минеральными добавками (до 20%), шлакопортландцемента (до 80%), многокомпонентных цементов, содержащих клинкер, а также безклинкерных вяжущих веществ – известково-шлаковых, шлако-щелочных. Шлакосодержащие вяжущие вещества могут быть использованы в составе сухих строительных смесей в качестве минерального наполнителя при учёте специфических свойств вяжущего смеси.

Шлак топливный – техногенный продукт, получаемый при сжигании твёрдого топлива. Химический состав его отличается от доменных меньшим содержанием СаО и большим содержанием оксидов железа. По минеральному составу шлаки разделяют на три группы: сверхкислые (М_о ≤ 0,1), кислые (М_о = 0,6-0,9) и основные (М_о = 1,0-1,1) по модулю основности, определяемому по формуле: М_о = СаО + МgО/SiO₂ + Al₂O₃.

Их также можно использовать в качестве минерального наполнителя, а основные шлаки в качестве медленно твердеющего вяжущего в смеси с известью или клинкером. Из шлаков можно делать шлаковую пемзу, шлаковый щебень, шлаковату, шлакоситаллы.

Зола – сухой продукт, образующийся на тепловых электростанциях при сжигании углей. Этот тонкодисперсный продукт, специально улавливаемый в пылеосадительных установках, называют золой – уносом. Основными компонентами золы – уноса являются в % масс.: SiO₂ – 40-70; Al₂O₃ – 15-40; CaO – 1-24; Fe₂O₃ – 5-20. Золы, в зависимости от содержания СаО, также бывают кислыми (≤ 10%) и основными, содержащими более 10% СаО. Дисперсность зол характеризуется удельной поверхностью 150-300 м²/кг при остатке на сите с ячейкой №008 – 15-30%. Минеральный состав кислых зол представлен алюмосиликатным стеклом, аморфным кремнезёмом, метакаолинитом, муллитом и др. Основные золы содержат также силикаты и алюминаты кальция и свободный СаО. В золах содержится также от 0,5 до 20% несгоревших частиц угля, что нежелательно в цементных композициях, и золы должны характеризоваться равномерностью изменения объёма. Зола – унос может входить в состав сухих строительных смесей при условии соответствия требованиям по минеральному составу, а также самостоятельно в качестве мелкодисперсного наполнителя в шпатлёвках, затирках, клеях.

Золо-шлаковая смесь – техногенный продукт из отвалов тепловых электростанций. Они могут содержать непрогнозируемое соотношение компонентов, поэтому их состав должны анализировать при отборе непосредственно из отвалов тепловых станций для изготовления строительных материалов. В них может содержаться свободный СаО и несгоревшие частички угля, отрицательно сказывающиеся на качестве получаемых материалов.

Отходы керамического производства можно после размола использовать как отощающие добавки и как заполнители для растворов и бетонов.

Отходы стекла и стеклобой используются на самих стекольных заводах, а также в дорожном строительстве в качестве заполнителя. Эта добавка улучшает торможение и увеличивает долговечность дорог. Стекольные отходы используются в качестве матричного материала для изготовления радиационнозащитных изделий. Из боя стекла получают блочное и гранулированное пеностекло для утеплителей. Тонкомолотые отходы стекла используют в качестве кремнезёмистого компонента для производства автоклавных силикатных изделий.

Отходы камнедобычи и камнепиления представляют собой наиболее значительные по объёму отходы. Их используют при производстве каменных расплавов, изготовления каменной муки – наполнителя в высокопрочные бетоны, плитки, пластмассы.