Горные породы

     Оглавление 

Введение

Глава 1.Основные понятия и классификация горных пород

1.1 Понятия

1.2 Классификация

1.2.1 Породообразующие минералы

1.2.2 Изверженные горные породы

1.2.3 Осадочные горные породы

1.2.4 Метаморфические (видоизмененные) горные породы

Глава 2.Природные каменные материалы: разработка, материалы и изделия

2.1 Разработка и обработка природных каменных материалов

2.2 Материалы и изделия из природного камня

2.3 Методы защиты природных каменных материалов от разрушения

Заключение

Список  литературы 

 

     

     Введение 

     Природный камень как строительный материал известен с глубокой древности. Он служил основным строительным материалом еще первобытному человеку. Высокая механическая прочность и долговечность позволяли использовать его в качестве стенового материала в строительстве различных сооружений, а красивая окраска и богатая текстура обусловили его применение для архитектурного оформления уникальных сооружений, храмов, дворцов. Украшением старорусских городов (Москвы, Киева, Суздаля, Владимира и др.) до сих пор являются белокаменные соборы, воздвигнутые древними мастерами. Все древние постройки: храмы, дворцы, крепости, мосты, акведуки, ритуальные сооружения возводились из природного камня и поражают современного человека, как удивительные «Чудеса Света». Во многих странах: Египте, Мексике, Греции, Италии, Китае, Камбодже, Индии сохранилось большое количество выдающихся памятников каменного зодчества, являющихся архитектурно-строительной составляющей древнейших цивилизаций, существовавших на Земле.

     Роль  природного камня в современном  строительстве претерпела значительные изменения. В наше время плотные  природные каменные материалы уже  не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих  конструкции, т.к. они трудоемки, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но из-за положительных эксплуатационных и эстетических качеств продолжают широко применяться для облицовочных работ, природные каменные материалы  нашли широкое применение для  облицовки и архитектурной отделки  зданий и сооружений устройства полов  и пр. Пористые природные материалы  применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в  виде стеновых камней и блоков. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающем  промышленности используются в качестве заполнителя для бетонов, изготовления других искусственных каменных изделий  на минеральном и органическом вяжущем. Важность высоких защитных свойств камня особенно возросла в последние годы, когда прогресс в области создания теплоизоляционных материалов позволил получить легкие и экономичные, не нуждающиеся в защите от атмосферного воздействия изделия., а также в качестве стенового материала, для устройства дорожных покрытий и т. д. В сооружаемых объектах масса материалов и конструкций из минерального сырья составляет в среднем 70%, а иногда и 90%. 

 

     

     Глава 1. Основные понятия и классификация горных пород

     1.1 Понятия

 

     Горной  породой называют минеральную массу более или менее постоянного состава, состоящую из одного - мономинерального или нескольких - полиминеральных минералов. Примером мономинеральных горных пород являются кварцевые пески, химически чистые гипс, магнезит, а полиминеральных – гранит, базальт, порфиры.

     Минералом называют природное тело, однородное по химическому составу и физическим свойствам. Минерал является продуктом физико-химических процессов, совершающихся в земной коре.

     Благодаря повсеместной распространенности в  природе и разнообразным физико-механическим свойствам природные каменные материалы  широко применяются для строительных целей. Их используют без обработки (гравий, песок) или подвергают механической обработке (дроблению, распиловке, отеске, шлифовке), получая щебень, плиты, штучные камни, различные архитектурно-декоративные детали. Горные породы являются также основным сырьем для получения минеральных вяжущих веществ – гипса, извести, цемента и в производстве искусственных каменных материалов – кирпича, стекла, изделий из бетонов и растворов.

     Изучение  свойств природных каменных материалов существенно облегчается, если основываться на классификации горных пород. В  основу классификации горных пород  положено их происхождение (генетическая классификация). Происхождение и  условия образования горных пород  предопределяют их химико-минералогический состав, кристаллическое строение и  структуру.  

 

  

     1.2 Классификация

 

     Согласно  генетической классификации, горные породы подразделяются на три большие группы:

• изверженные,
• осадочные,
• метаморфические.

     Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубин Земли и отвердевшей при остывании. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных пород с различным строением и свойствами.

     Глубинные породы, образование которых происходило под значительным давлением верхних слоев, остывали медленно и сравнительно равномерно. Такие условия были благоприятны для кристаллизации минералов, составляющих горную породу. В связи с этим глубинные породы массивны, плотны и состоят из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов; они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водо поглощением и большой теплопроводностью. Глубинные породы имеют зернистое кристаллическое строение, называемое еще гранитным — от названия наиболее распространенного представителя этих пород — гранита.

     Излившиеся породы образовались на поверхности земли при отсутствии давления и при быстром охлаждении магмы. Некоторая часть магмы, излившаяся на поверхность, уже содержала кристаллы отдельных минералов. Поэтому в большинстве случаев излившиеся породы состоят из отдельных хорошо сформированных кристаллов, вкрапленных в основную скрытокристаллическую массу; такое строение называют порфировым по аналогии с широко распространенными среди этой группы пород порфирами. В тех случаях, когда излившиеся породы застывали мощным слоем, их строение было сходно с глубинными породами. Если же слой был сравнительно тонок, то охлаждение происходило быстро, и масса их оказывалась стекловатой, а верхние слои излившейся лавы становились пористыми вследствие энергичного выделения газов из магмы при уменьшении давления.

     Обломочные породы образовались при быстром охлаждении раздробленной, выбрасываемой при извержении вулканов лавы (пемза, вулканический пепел). Часть обломочных пород (вулканического пепла) подверглась цементированию, образуя вулканические туфы.

     Осадочные горные породы образовались при осаждении веществ из какой-либо среды, главным образом водной. Осаждение происходило периодами в виде отдельных слоев и пластов. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на три группы: химические, органогенные и механические.

     Химические осадки представляют собой горные породы, образовавшиеся при осаждении минеральных веществ из водных растворов с последующим их уплотнением и цементацией (гипс, ангидрит, известковые туфы и др.).

     Органогенные породы образовались в результате отложения остатков некоторых водорослей и животных организмов с последующим их уплотнением и цементацией (большинство известняков, мел, диатомиты и др.).

     Механические отложения образовались в результате осаждения или накопления рыхлых продуктов при физическом и химическом распаде горных пород. Часть из них подвергалась в дальнейшем цементированию глинистым веществом, железистыми соединениями, карбонатами или другими углеродными цементами, образуя цементированные осадочные породы — конгломераты, брекчии.

     Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате более или менее глубокого преобразования изверженных или осадочных горных пород под влиянием высоких температуры и давления, а иногда и химических воздействий. В этих условиях может происходить перекристаллизация минералов без их плавления; получающиеся при этом породы обычно более плотны, чем исходные осадочные. В процессе метаморфизма происходило изменение структуры горных пород. В большинстве случаев метаморфические породы отличаются сланцеватой структурой.

     1.2.1 Породообразующие минералы

     Строительные  свойства горных пород в значительной степени зависят от их минералогического  состава. Одни минералы отличаются высокой  прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные  минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят, и т.д.

     Отличительными  показателями минералов служат их химический состав и физические свойства —  плотность, твердость. Среди большого разнообразия природных минералов  только небольшая их часть принимает  основное участие в образовании  горных пород. Поэтому эти минералы названы породообразующими (полевые  шпаты, слюды, железисто-магнезиальные  минералы, карбонаты и сульфаты).

     Кварц по химическому составу представлен диоксидом кремния Si0₂. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы (кварцевых песка и стекла, горного хрусталя) или входящий в состав полиминеральных горных пород. Плотность кварца 2650 кг/м³, твердость 7, предел прочности при сжатии около 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой, и обладает высокой атмосферо стойкостью. При температуре 18...20° С кварц не реагирует с известью Са(ОН)₂, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150...200 С вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются, получая искусственные каменные материалы из смеси кварцевого песка и извести, называемые силикатными. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при температуре 575° С кварц из β-модификации переходит в α-модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870° С кварц переходит в тридимит, значительно увеличиваясь в объеме, так как плотность тридимита равна 2260 кг/м³, β-кварца — 2650 кг/м³. При температуре 1710°С кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.

     Полевые шпаты по химическому составу представляют собой алюмосиликаты — соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов КаО, Na₂0, СаО. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6. По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы К₂0∙Al₂0₃∙6Si0₂ — прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы — косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит, или натриевый полевой шпат Na₂0∙Al₂0₃∙6Si0₂, и анортит, или кальциевый полевой шпат CaO∙Al₂0₃∙2Si0₂. Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120...170 МПа, плотность — от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м³ (анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются, т. е. разрушаются под действием атмосферных агентов — влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит Al₂0₃∙2Si0₂∙2H₂0, входящий в состав глин, а иногда и кальцит СаСО₃.

     Слюды — водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего биотит непрозрачен и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковит прозрачен, так как не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760...3100 кг/м³, а биотита 2800...3200 кг/м³, твердость 2...3. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах.

     К железисто-магнезиальным  минералам относятся:

• пироксены (наиболее распространенный представитель — авгит),
• амфиболы (роговая обманка),
• оливин.

     Железисто-магнезиальные  минералы имеют сложный химический состав; в основном это силикаты магния и железа. Они имеют темную окраску зеленого, бурого, а иногда и черного цвета. Плотность 3000...3600 кг/м³, твердость 5,5...7,5. Минералы этой группы (за исключением оливина) обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Продуктом выветривания оливина является серпантин, одна из разновидностей которого, хризолит-асбест, имеет волокнистое строение и состоит из тончайших, очень прочных волокон. Перечисленные минералы входят преимущественно в состав изверженных горных пород.

     Важнейшими  породообразующими минералами осадочных  горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.

     Кальцит СаСО₃ (известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м³, твердость 3. Кальцит растворим в воде (0,03 г. в 1 л.), бурно реагирует с кислотами. Вода, содержащая С0₂, действует на кальцит разрушающе, так как при этом образуется кислый углекислый кальций Са(НС0₃)₂, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаС0₃.

     Магнезит MgC0₃ в отличие от кальцита встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.

     Доломит MgC0₃∙СаСО₃ — минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту.