Минералы и горные породы

Формуемость - свойство материалов и смесей, составленных из различных материалов, приобретать заданную форму. Характеризуется затраченной работой.

Дробимость - способность природных и искусственных материалов при ударе делиться на части различных размеров и форм.

Расслаиваемость - способность смеси из материалов различной крупности терять однородность при транспортировании и укладке.

Надежность — представляет собой общие свойства, характеризующие проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.

Долговечность — свойство изделия или конструкции сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность строительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности, причем первая соответствует сроку службы не менее 100 лет, вторая — не менее 50 лет, третья — не менее 20. Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала. Ее нужно оценивать применительно к конкретным условиям эксплуатации.

8)

Пример

По среднему арифметическому значению прочности бетона устанавливают его марку — округленное значение прочности (причем округление идет всегда в нижнюю сторону). Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см². При обозначении марки используют индекс «М»; так, например, марка бетона М35О означает, что его средняя прочность не менее 35 МПа (но не более 40)

Свойства материалов оценивают количественно, т. е. по числовым показателям, устанавливаемым путем испытаний по специальным методикам, предусмотренным государственными стандартами или техническими условиями.

В нашей стране во всех отраслях народного хозяйства действует государственная система стандартизации (ГСС), чем создается эффективность действия стандартов как одного из средств ускорения научно-технического прогресса и повышения качества продукции.

В зависимости от сферы действия стандарты подразделяют на следующие категории: государственные (ГОСТ); отраслевые (ОСТ); республиканские (РСТ); стандарты предприятий и объединений (СТП). Наряду со стандартами действуют технические условия (ТУ), устанавливающие комплекс требований к конкретным типам, маркам, артикулам продукции.

В государственных стандартах на строительные материалы, являющихся обязательными для всех ведомств и предприятий, указываются четкое определение и классификация разновидностей данного материала, способ изготовления или происхождение, конкретные цифровые показатели технических свойств и методы их определения, необходимые сведения о маркировке, упаковке, правилах хранения и транспортирования.

Основные положения строительного проектирования, производства строительных работ и требования к строительным материалам и изделиям регламентируются Строительными нормами и правилами (СНиП), обязательными для всех организаций и предприятий. СНиПы разработаны с учетом развития строительной индустрии, внедрения передовой техники в строительство, максимального использования в строительстве изделий и конструкций заводского изготовления. Решением постоянной комиссии СЭВ по строительству СНиП взят за основу унифицированных норм и правил в области строительства для всех стран — членов СЭВ.

Методическую основу стандартизации размеров в проектировании, изготовлении строительных изделий и возведении сооружений составляет модульная координация размеров в строительстве (МКРС), представляющая собой совокупность правил координации размеров элементов зданий и сооружений, строительных изделий и оборудования на базе основного модуля, равного 100 мм (обозначается 1 М). Применение МКРС позволяет унифицировать и сократить число типоразмеров строительных изделий из разных материалов или отличающихся по конструкции. В МКРС входят и производные модули, которые получают путем умножения основного модуля на целые или дробные коэффициенты. При умножении на целые коэффициенты образуются укрупненные модули (от 2М до 60М), а при умножении на коэффициенты менее единицы — дробные модули (от 1/2М до I/100M).

9)

В результате отвердевания вяжущего вещества с цементированием заполняющей части искусственные строительные конгломераты приобретают определенную структуру, которая вместе с составом предопределяет их качество.

Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности (измельченности) с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. Под микроструктурой подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Атомно-молекулярное строение определяет макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложных материальных с истем типа конгломератов (композиционных материалов).

Основной формой правильного расположения микрочастиц в пространстве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка; молекулярная, или поляризационная, решетка, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса; атомная с резко выраженной в решетке ковалентной связью; металлическая; решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимозависимость, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний порядок — на окружение данного атома. Все тела с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, хотя реальные кристаллы обычно имеют отклонения от идеальной геометрической структуры.

Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относятся к аморфным. К самым распространенным представителям аморфных тел относятся стекла. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет изучение их структуры. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т. е. одинаковыми свойствами во всех направлениях. Упорядоченность расположения частиц может наблюдаться (например, у стекол) только в небольших элементах объема (ближний порядок). В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристаллами, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.

У твердых тел имеются значимые признаки их кристалличности: определенная температура плавления — перехода их в жидкое состояние; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, т. е. неодинаковость свойств в различных направлениях. Тепловой эффект кристаллизации — основной критерий этого фазового превращения.

Кристаллическое и аморфное строение нередко может быть присуще одному и тому же веществу, например кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) существования кристаллов, что известно под названием полиморфизма. Полиморфизм вызывает, изменение свойств при сохранении постоянным состава вещества, что лишний раз указывает на важнейшую роль структур в становлении качества материалов. Так, например, алмаз и графит, являясь кристаллическими модификациями углерода, обладают резко различной твердостью: алмаз применяется при бурении прочных горных пород, графит — мягок и используется как смазка или для стержня карандаша. Другой пример — кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, т огда как при низкотемпературной углерод практически нерастворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь. Аналогичным путем изменяются и другие свойства при модификациях кристаллических тел.

Структура, как отмечалось выше, не остается неизменной, «застывшей». В пространстве и во времени она непрерывно претерпевает изменения. Этому, в частности, способствует постоянное движение элементарных частиц, атомов, молекул, взаимодействие материала с окружающей средой, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц.

Относительная стабильность структуры и внешней формы макроскопических тел обусловлены определенными связями и отношениями структурных элементов, а формы изменений и переходов их состояний проявляются в неизбежных тепловых, тепломассообменных явлениях, процессах кристаллизации.

Микроструктура и кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. Сравнительно простым измерением, производимым на плоскости наблюдения, устанавливается.расчетным путем содержание некоторого ключевого элемента структуры в объеме материала.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры различают коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — ван-дер-ваальсовы силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.

Конденсационными называются структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц, или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов, или под влиянием 'ионных и ковалентных связей. Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем вы-кристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей. Академик П. А. Ребиндер, впервые разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным и даже более типичным образование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, например кристаллизационно-коагуляционной и др. При определенных условиях может быть самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляцион-ных структурах почти всегда наблюдаются пониженная прочность вещества, способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и особенно кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, хрупкость, лишают его тиксотропности.

Микроструктура в ИСК наиболее характерна для вяжущего вещества, поскольку для него были использованы компоненты с высокой степенью дисперсности частиц и получаемых новообразований.

Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе. Эти поры могут иметь различное происхождение, что зависит от вида цементирующего вещества. По своему размеру они бывают мелкими. Но они могут быть и крупными. Крупные поры образуются в различных количествах в зависимости от того, непроизвольно или преднамеренно они возникли в вяжущем веществе. При непроизвольном вовлечении воздуха в период изготовления смеси их количество обычно невелико, составляя 2... 5%. Если возникают они под влиянием специально вводимых воздухововлекающих тли порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферичесих (ячейковых) пор, чаще всего замкнутых.

В микроструктурах могут встречаться кроме пор другие виды неплотностей, играющие важную роль в придании определенного качества вяжущему веществу в ИСК. Их относят обычно к дефектам микроструктуры, которые отрицательно влияют на качество материала. Среди них дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки; в виде дислоцированных атомов, т. е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки; в виде примесей в кристаллической решетке со значительным искажением качества вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде микротрещин, способных под нагрузками расти с переходом в макротрещину или магистральную трещину, охватывающую макрообъемы кристаллических агрегатов и тел.

Кроме вяжущего вещества микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и пр., хотя различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего является не скачкообразным, а довольно плавным.

«Укладка» микрочастиц происходит компактно, т. е. как бы с учетом принципа наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что в кристаллических телах внутреннее строение при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаковке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, что, например, не в малой степени зависит от направления валентностей контактируемых частиц.

Макроструктура различима невооруженным глазом. Для наиболее распространенных строительных материалов с конгломератным типом структуры (ИСК) она образована совмещением микроструктуры вяжущего вещества и полизернистых или иных видов (волокнистых, пластинчатых, угловатых и т. п.) грубодисперсных частиц заполнителя, а также в ней содержится капиллярно-поровая часть. В большой группе особо легких бетонов (ячеистых бетонов) макродисперсные поры в виде замкнутых ячеек являются как бы своеобразной разновидностью «заполнителя».

Подобно плотной, компактной упаковке частичек в микроструктуре вяжущих веществ, грубозернистые заполнители подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе вяжущего вещества в конгломератах. С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, с тем чтобы затем пробным подбором или расчетом найти содержание каждой фракции при плотной их смеси. Если крупные частицы, например, щебня или гравия в такой мере сближены, что контактируют непосредственно друг с другом или через тонкие прослойки вяжущего, то сформировавшаяся структура называется контактной. Если имеется разделение частиц прослойками вяжущего вещества значительной усредненной толщины, то макроструктуру принято именовать порфировой.

Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размер и др., изменяются при разных технологиях. Так, макроструктура прессованных изделий отличается от получаемых при литьевой технологии из одинаковых по качеству компонентов; микроструктура вяжущей части изделий после твердения в обычных условиях на воздухе отличается от образующейся при твердении в условиях повышенных давлений и температур и т. п.

Существенным является разделение структур на оптимальные и неоптимальные.

Оптимальной называют структуру, если частицы в ней распределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и др.); отсутствуют или содержится мало дефектов структуры как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки, или матрицы при минимальном отношении с/ф, именуемым условно фазовым. В тех случаях когда в материале нет вяжущей прослойки, то условием оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц твердой фазы. Весьма желательным, хотя и не строго обязательным, является признак оптимальности по наибольшей, плотности упаковки твердых частиц как в микроструктуре, так и в макроструктуре. Последнее условие предопределяет, как правило, наибольшую экономичность материала оптимальной структуры. Не всегда изделие обладает одинаковой оптимальной структурой материала во всех частях, например поверхностный слой может отличаться от внутренней части по своей структуре (и по качеству).

Неоптимальными называют структуры, которые не удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности. Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными. Это улучшенное качество обусловлено повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды, повышенной концентрацией твердой, например, кристаллической фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом других причин, особенно энергетического характера, поскольку при оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и энергия Гельмгольца становятся минимальными.

Ценным достоинством оптимальных структур является подобие их между собой, что доказывается теоремой в теории ИСК. Это, в частности, означает, что закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может быть распространена на другие, если их структуры — оптимальные.

Оптимальная структура может сформироваться и тогда, когда в ИСК отсутствует вяжущая часть в виде матричного или каркасного структурного элемента, а имеется поверхность (или несколько поверхностей) раздела контактируемых фаз, объединяемых между собой химическими связями, чаще всего ковалентными. При такого рода структурах стремятся обеспечить максимальную поверхность контакта фаз или ее уменьшение, если химические связи не обеспечивают эффективного упрочнения контакта, например, при молекулярных (ван-дер-ваальсовых) связях.

Имеется общий метод проектирования оптимальных составов и структур ИСК, применимый для различных безобжиговых и обжиговых материалов. Для некоторых материалов имеются также специфические методы подбора состава. Разными методами стремятся к получению из данных компонентов оптимальной структуры материала, удовлетворяющего заданным показателям качества (свойств).

При одинаковой технологии изготовления смеси и изделия, других одинаковых условиях можно получить неограниченное количество неоптимальных структур, гораздо меньше — оптимальных одну-две рациональные структуры. К последним относят оптимальные структуры, при которых конгломерат в полной мере соответствует заданным показателям качества в реальных условиях производства. Важно остановиться на составе, при котором структура оказывается не только оптимальной, но и рациональной.

10)

Свойства строительного материала определяются его структурой. Для получения материала заданных свойств следует создать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его использования в конкретных условиях эксплуатации.

• Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом; микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ион-ном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамические и другие материалы. Ячеистая структура материала отличается наличием макропор; она свойственна газо- и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулонных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло-звукоизоляции и др.

Микроструктура строительных материалов может быть кристаллическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0, 8 МПа, в то же время трепел (амфорная форма диоксида кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15...25°С. Амфорная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую.

Для каменных материалов практическое значение имеет явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Для кристаллического вещества характерны определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов каждой модификации. Свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Теплопроводность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явления анизотропии являются следствием особенностей внутреннего строения кристаллов. В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свойствам относятся к изотропным, исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутренняя структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в Si02); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСОз, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда). Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графите) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.

В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпатах) имеют место и ковалентная и ионная связи. Например, в кальците внутри сложного иона СО|" связь ковалентная, но с ионами Са2+ — ионная. Кальцит СаС03 обладает высокой прочностью,, но малой твердостью, полевые шпаты имеют высокие прочность и твердость.

Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имеющими низкую температуру плавления.

Силикаты имеют сложную структуру. Волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют такой материал на волокна.

Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04, связанных между собой общими вершинами (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганические полимеры.

Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде -свойств материала — механических, огнестойкости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗСаО-БЮг) составляет 45...60 %, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность. Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.

Минералы и горные породы

1)

Минерал (от лат. minera — руда) — природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве — твердые тела: кристаллические и аморфные.

В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал обладает комплексом только ему присущих свойств и признаков. К ним относят химический состав и строение, плотность, твердость, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, светопреломление и др.). По этим признакам идентифицируют минералы.

Твердость — наиболее характерное свойство минералов. Существует много методов определения твердости (см. п. 2.5), простейший из них — метод оценки относительной твердости по десятибалльной шкале (табл. 4.1), предложенной немецким геологом Ф. Моосом (1811).

Характерным признаком большинства минералов, имеющих кристаллическое строение, является спайность — способность минерала раскалываться по строго определенным плоскостям. Так, слюда имеет весьма совершенную спайность в одной плоскости; совершенная спайность у кальцита — он практически всегда раскалывается по трем плоскостям, образуя косые параллелепипеды. Спайность отсутствует, например, у кварца, кристаллы которого при ударе раскалываются на неправильные куски, имеющие раковистый излом.

Спайность — свойство с точки зрения строителя отрицательное, так как уменьшает стойкость и прочность соответствующей горной породы и ухудшает ее обрабатываемость (шлифовку, полировку).

Ниже приводится краткая характеристика основных породообразующих минералов.

Минералы группы кремнезема Si02 — ряд минералов, представляющих собой модификации диоксида кремния — кварц, опал и халцедон.

Кварц — наиболее распространенная модификация кремнезема, являющаяся существенной составной частью многих горных пород (гранита, кварцита, песка и др.). Плотность кварца — 2650 кг/м, твердость — 7, прочность, стойкость к выветриванию и химическая стойкость — очень высокие. Плавится кварц при 1710 °С; при быстром охлаждении расплава образуется кварцевое стекло. При температуре 573 °С кварц переходит из р-модификации в а-модификацию с увеличением в объеме на 0, 82 %. Это может вызвать растрескивание кварцесодержащих пород при нагреве их выше этой температуры. Обычно цвет кварца молочно-белый; крупные прозрачные кристаллы кварца называют горным хрусталем, окрашенные в лиловый цвет — аметистом, а в золотисто-желтый — цитрином.

Халцедон — скрытокристаллическая разновидность кварца, содержащая до 1, 5 % воды и примеси оксидов железа и алюминия.

Опал — гидрат оксида кремния Si02 * лН20 (содержание воды 2… 14 %); в опале могут быть примеси оксидов магния, алюминия, железа и др. Встречается в породах органогенного происхождения: диатомитах, трепеле и др.

Полевые шпаты (от нем. spalten раскалываться) — группа алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов общей формулой Me * А1203 * «Si02 (где Me — калий, натрий или кальций). Полевые шпаты — самые распространенные минералы, составляющие более 50 % от массы изверженных пород (гранитов, сиенитов, габбро и др.).

Главнейшими разновидностями полевых шпатов являются: – ортоклаз (прямораскалывающийся) К20 * А1203 * 6Si02; – плагиоклазы (косораскалывающиеся) непрерывного изоморфного ряда от альбита Na20 * А1203 * 6Si02 до анортита СаО * А1203 * 2Si02.

Полевые шпаты — довольно твердые минералы: твердость — 6…6, 5. Спайность у них проявляется в двух плоскостях. Плотность в зависимости от состава — 2500…2800 кг/м. Температура плавления — 1200… 1500 °С. Прочность и стойкость несколько ниже, чем у кварца (Лсж до 200 МПа).

Цвет полевых шпатов зависит от примесей и зачастую бывает от белого до темно-серого и от светло-розового до темно-красного. Особым декоративным эффектом отличается относящийся к группе полевых шпатов Лабрадор, обладающий свойством ирризации (от греч. iris — радужный). Он образует яркие радужные отсветы из глубины кристаллов при общем темно-сером цвете породы.

При выветривании полевых шпатов образуются глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит и др.) и соли натрия, калия и кальция, обогащающие воду морей ионами Na+, K+, Са2+.

Железистомагнезиальные силикаты — темноокрашенные минералы, входящие в состав основных и ультраосновных изверженных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Наиболее распространенные минералы этой группы — пироксены, амфиболы, роговая обманка и оливин.

Средняя плотность у этих минералов больше, чем у кварца и полевых шпатов, за счет присутствия железа — 3200…3800 кг/м; твердость — 5, 5…6, 5. Отличительная черта железистомагнезиальных силикатов — высокая ударная вязкость, благодаря чему породы, в которых присутствуют эти минералы, имеют меньшую хрупкость и повышенную износостойкость. Цвет минералов этой группы — от темно-зеленого до черного; он зависит от содержания железа в их составе. Все минералы этой группы, за исключением оливина, стойки к выветриванию.

Слюды — группа минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. легко расщепляющиеся на тончайшие пластинки. Твердость слюд невысока — 2, 5…3. Слюда — широко распространенный минерал изверженных и осадочных пород. Общее количество слюды составляет несколько процентов от массы всей земной коры, но промышленные месторождения слюды с крупными кристаллами (10 см и более) встречаются редко. Среди слюд наибольшее распространение имеют мусковит и биотит.

Мусковит — прозрачная калиевая слюда плотностью 2750… 3000 кг/м. Вплоть до XVIII в., т. е. до начала промышленного выпуска стекла, мусковит применяли для устройства окон, и в Европе его называли «vitrum Moscovitum» — стекло из Московии. В настоящее время мусковит применяют в качестве электроизоляционного высокотемпературного материала, защитной (бронирующей) посыпки для рубероида, а также добавляют в составы огнеупорных красок и декоративных растворов.

Биотит — темная железистомагнезиальная слюда; плотность — 3000…3300 кг/м. Для строителей представляет интерес ее разновидность — вермикулит с молекулярной межслоевой водой. Благодаря этому вермикулит при нагревании до 900… 1000 °С вспучивается как гармошка, увеличиваясь в объеме в 15…20 раз. Вспученный вермикулит применяют для изготовления тепло- и звукоизоляционных материалов.

Асбест — группа минералов, водных силикатов магния и железа, кристаллы которых представляют собой тончайшие волокна, легко поддающиеся распушке (отсюда народное название асбеста — «горный лен»). В России находятся крупнейшие в мире месторождения наиболее ценного вида асбеста — хризотил-асбеста 3MgO * 2Si02 * 2Н20, используемого при производстве асбестоце-ментных изделий (п. 14.5).

Глинистые минералы — группа водных силикатов алюминия общей формулой А1203 * rtSi02 * /иН20. Эти минералы составляют основную массу глин. Образуются глинистые минералы в результате выветривания полевых шпатов в виде очень мелких частиц размером не более 0, 01 мм, которые, в свою очередь, представляют агрегаты мельчайших кристаллов. Глинистые минералы гидрофильны и при увлажнении образуют пластичное тесто (п. 5.2). Среди глинистых минералов чаще всего встречаются каолинит и монтмориллонит.

Каолинит А12Оэ * 2Si02 * 2Н20 — очень мягкий (твердость 1) минерал белого цвета. Используется при производстве тонкой керамики, для получения бумаги и в качестве наполнителя в полимерных материалах.

Монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава. Размер его чешуйчатых кристаллов еще меньше, чем у каолинита, благодаря чему он обладает высокой адсорбционной способностью и очень пластичен в увлажненном состоянии.

Карбонаты — группа минералов, представляющих собой соли угольной кислоты. Встречаются в основном в осадочных породах. Стойкость минералов невысокая. Основные представители минералов группы карбонатов — кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит СаС03 — один из наиболее распространенных минералов поверхностного слоя земной коры. Кальцит хрупок, обладает совершенной спайностью по трем плоскостям; при раскалывании всегда образует кристаллы в виде косых параллелепипедов. Кальцит без примесей — прозрачный. Его плотность — 2700…2750 кг/м3, твердость — 3. Он легко разлагается кислотами, с бурным выделением углекислого газа, растворяется в воде, насыщенной С02. При нагревании выше 800 °С кальцит разлагается на СаО и С02. Породы, сложенные из кальцита (мел, известняк, мрамор), характеризуются низкой химической и атмосферостойкостью.

Магнезит MgC03 по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже. Плотность — около 3000 кг/м3, твердость — 3, 5…4, 5. В отличие от кальцита растворяется в разбавленных кислотах лишь при нагревании. Образует породу того же названия.

Доломит СаС03 * MgC03 — довольно распространенный минерал, по свойствам занимающий промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. Плотность — 2800…2900 кг/м, твердость — 3, 5…4. В кислотах растворяется, но без «вскипания». Образует породу того же названия.

Сульфаты — группа минералов, представляющих собой соли серной кислоты. В строительстве находят применение гипс, ангидрит и в меньшей степени барит.

Гипс CaS04 * 2Н20 — очень мягкий минерал. В чистом виде прозрачный, но обычно окрашен примесями в светло-серый, желтоватый или розоватый цвет, а его плотность — 2320 кг/м, твердость — 2. Гипс заметно растворим в воде (2, 4 г/л при 20 °С). В природе встречается как самостоятельная порода и как цементирующее вещество в природных конгломератах.

Ангидрит CaS04 — безводная разновидность гипса — существует в нескольких кристаллических формах. Природная форма — P-CaS04 — нерастворимый ангидрит. Плотность — 2980 кг/м, твердость — З...3, 5. Цвет светло-серый, серо-голубой; за счет полупрозрачности дает эффект свечения изнутри.

Барит BaS04 — бесцветные или белые кристаллы; твердость — З...3, 5; плотность — 4300…4700 кг/м. Его применяют в бетонах и растворах для защиты от ионизирующих излучений.

2)

Природные каменные материалы получают из горных пород, залегаемых в верхних слоях земной коры в виде сплошных массивов и скоплений обломков разной крупности. Каменные строительные материалы получают механической обработкой горных пород путем раскалывания, распиловки, дробления, обтески, шлифовки и полировки, поэтому их свойства в основном зависят от качества исходной горной породы, ее химических, физических и механических свойств. Качество горных пород, из которых изготовляют дорожностроительные материалы, в свою очередь, зависит от минералогического состава, структуры, текстуры и состояния свежести породы.

По геологическому происхождению (генезису) горные породы разделяются на три основные группы с подгруппами:

I. Изверженные (магматические) —первичные: А. Глубинные (интрузивные) —граниты, сиениты, диориты, габбро и др. Б. Излившиеся (эффузивные)—диабазы, порфиры, базальты, туфовые лавы и др.

II. Осадочные — вторичные: А. Механические, обломочные отложения: 1)рыхлые — валуны, щебень, гравий, песок; 2) сцементированные — песчаники, конгломераты, брекчии. Б. Органогенные и химические образования —различные известняки, доломиты, магнезиты, гипс, ангидрит.

III. Метаморфические (видоизмененные)—гнейс, мраморы, кварциты.

По химическим исследованиям состава горных пород верхних слоев земной коры выявлено преобладание в них кремнезема SiO2— 59, 12% и глинозема Аl2О3— 15, 34%, дальше следует окись кальция СаО — 5, 08%, окись натрия N2O — 3, 84, окись железа FeO —3, 80; окись магния Mg —3, 49; К2О — 3, 13; Fe2O3 —3, 08% и немного других окислов и химических элементов. Как видно, породообразующие минералы изверженных пород по своему химическому составу разнообразны. Примерно из 2500 различных минералов породообразующими являются около 50.

Главные породообразующие минералы распределены в горных породах, применяемых в строительстве, примерно в следующих пропорциях: полевые шпаты (ортоклазы и плагиоклазы) — 57, 9—59, 5%; роговая обманка, авгит; оливин, змеевик— 16, 8%; кварц— 12— 12, 6; слюда 3, 6—3, 8; кальцит (известковый шпат) — 1, 5; каолинит и другие аналогичные минералы— 1, 1 % и т. д.

Горные породы представляют собой более или менее однородные минеральные агрегаты, слагающие земную кору, состоящие из одного или нескольких минералов, Горные породы, состоящие из одного минерала, называют простыми или мономинеральными (кварцит, гипс), а из нескольких минералов (гранит, базальт, гнейс) — сложными или полиминеральными.

3)

Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры, осадочные горные породы и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых иводных растворов, при этом они начинают изменяться.