Природные каменные материалы и сырье для производства строительных материалов из горных пород

1. ЛЕКЦИЯ

Природные каменные материалы и
сырье для производства строительных
материалов из горных пород

2.

Основным природным сырьем для производства строительных материалов
являются горные породы. Их используют как сырье для изготовления
керамики, стекла, металла, тепло- гидроизоляционных и других материалов, а
также для производства неорганических вяжущих веществ – цемента, извести
и строительного гипса, в качестве заполнителей для бетонов и растворов.
Другим важным сырьевым источником являются техногенные вторичные
ресурсы (отходы промышленности). Пока они используются недостаточно. Но
по мере истощения природных ресурсов, повышения требований к охране
окружающей среды и разработки новых эффективных технологий техногенное
сырье будет применяться значительно шире.
Горная порода – это природный минеральный агрегат более или
менее определенного состава и строения, являющийся продуктом
геологических процессов и образующий в земной коре
самостоятельные тела
Минералы – это природные физически и химически однородные тела,
возникающие в земной коре в результате физико-химических
процессов. Каждый минерал имеет определенный состав.

3.

В зависимости от условии формирования горные породы делят на три
генетические группы:
- магматические
- метаморфические
- осадочные
Магматическими (первичные) называют горные породы, образовавшиеся
при застывании магмы на разной глубине в земной коре.
Бывают:
глубинные (интрузивные) –граниты, сиениты, диориты, габброиды,
перидотиты;
излившиеся (эффузивные)– порфиры, андезиты, базальты, диабазы, пемза,
вулканические пепел и туф)
К породообразующим минералам магматических пород относятся кварц,
полевые шпаты – ортоклаз, плагиоклаз, железисто-магнезиальные силикаты,
алюмосиликаты
Магматические горные породы обладают высокой прочностью, стойкостью,
способностью к полировке и шлифовке

4.

Осадочными (вторичные) называют горные породы, образовавшиеся в
результате естественного процесса разрушения первичных и других пород
под влиянием механического, физического и химического воздействия
внешней среды. Осадочные горные породы — залегают в верхних слоях
земной коры, где их объем составляет 70 . . . 80 %.
В зависимости от условий образования делятся на 3 основные группы:
- обломочные или механические осадки (гравий, глины, пески)
- химические осадки (гипс и известняковые туфы)
- органогенные породы (скелеты губок, кораллов, раковины и панцири
ракообразных, также мел, доломиты, известняки)
Главные породообразующие минералы:
- группа кремнезема – опал, халцедон и осадочный кварц,
- группа карбонатов – кальцит, доломит, магнезит,
- группа глинистых минералов – каолинит, монтмориллонит,
- группа сульфатов – гипс, ангидрит
Структура осадочной породы определяется размером и формой минеральных
компонентов, главная особенность строения осадочных пород – их
слоистость.
Неслоистые породы имеют беспорядочную текстуру, которая характерна для
песков и грубообломочных пород

5.

Метаморфическими (видоизмененные) называют
горные породы, образовавшиеся в результате
последующего изменения первичных и вторичных пород,
связанного со сложными физико-химическими
процессами в земной коре , т.е. под влиянием высоких
температур и давлений (кристаллические сланцы, гнейсы,
кварциты, мрамор)
Главные породообразующие минералы метаморфических
пород –
1. минералы, распространенные и в магматических
породах – полевые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка,
пироксены, оливин
2. типичные для осадочных пород минералы – кальцит,
доломит
3. минералы, которые могут находиться в магматических
породах в качестве вторичных – серпентин

6.

Породы, в состав которых входит в основном один минерал, называются
мономинеральными (природный гипс, доломит и др.); породы, состоящие из
нескольких минералов, называют полиминеральными (гранит и др.).
Условия образования горных пород предопределяют их состав, строение,
характер залегания, а следовательно, и свойства.
Петрографические характеристики горных пород. При изучении горных
пород наряду с их физическими, механическими, технологическими и
эксплуатационными свойствами следует рассматривать их важнейшие
петрографические характеристики, к которым относятся цвет, структура и
текстура.
Цвет горных пород обусловлен цветом минералов и примесей,
преобладающих в составе породы. В свою очередь, цвет минералов
обусловлен их химическим составом. Так, белые мраморы состоят в основном
из кальцита и доломита, которые в агрегатах имеют белый цвет. Серые тона
мраморов определяются присутствием углистых или других органических
частиц, розовые — солей марганца или окисного железа. Цвет изверженных
пород определяется окраской минералов — кварца, полевых шпатов и
темноцветных компонентов.
Цвет является важным признаком и имеет решающее значение при оценке
декоративности горной породы.

7.

Структура горной породы характеризуется особенностями строения,
обусловленными размерами, формой и соотношениями образующих ее
минералов. Структуры бывают кристаллические (и зернистокристаллические) , порфировые, скрытокристаллические, оолитовые и т.д.
Породы с кристаллической структурой состоят из полных по форме
кристаллов или неполных кристаллов, называемых кристаллическими
зернами (в этом случае структура зернисто-кристаллическая).
Кристаллическую структуру имеют кварциты, мраморы, зернистокристаллическую - граниты.
В породах с порфировой структурой отдельные кристаллы различных
размеров соединены между собой значительным количеством плотного,
тонкозернистого или стекловатого вещества (например, у порфиров).
Породы со скрытокристаллической структурой отличаются большой
прочностью и долговечностью. Такую структуру имеют базальты.
Оолитовая структура встречается у осадочных пород, сохранивших в своем
составе остатки мелких организмов — раковины, скелеты (известнякиракушечники) . Структура играет существенную роль в формировании
декоративных свойств облицовочного камня и, кроме того, влияет на его
обрабатываемость.

8.

Текстура (сложение) характеризует взаимное расположение
составляющих породу минералов и наличие пор и микротрещин.
Текстура может быть: плотная, полосчатая, сланцевая, пористая,
ячеистая и др.
Породы с плотной текстурой более прочны и устойчивы, они лучше
полируются, чем пористые разновидности.
С увеличением пористости (ноздреватости, ячеистости) понижается
прочность и стойкость против ныветривания.
Сланцеватые и тонкослоистые породы анизотропны, они
сравнительно менее погодоустойчивы, а при ударах обладают
тенденцией раскалываться по направлению сланцеватости.

9.

Условия образования горных пород и
значительной мере предопределяют характер их
строения, основные свойства, а следовательно, и
область применения горных пород как в
строительстве, так и в промышленности
строительных материалов.
Глубинные горные породы (магматические)
характеризуются высокой плотностью,
морозостойкостью и малым во до поглощением.
Основные виды глубинных горных пород —
граниты, сиениты, габбро, лабрадориты.

10.

Граниты — состоят из кварца, полевого шпата (ортоклаза) и слюды. Цвет
гранитов зависит от основной составной части — ортоклаза, а также от цвета
других минералов. Они бывают светло-серые, серые, розоватые и темнокрасные. Структура гранитов зернисто-кристаллическая. Плотность в среднем
2700 кг/м 3, пористость всего 0,5 ... 1,5 %, предел прочности при сжатии 100 .. .
250 МПа. Граниты характеризуются высокой морозостойкостью и малым
водопоглощением, большим сопротивлением выветриванию, хорошо
обтесываются, шлифуются и полируются, однако отличаются хрупкостью и
невысокой огнестойкостью.
Граниты применяют для облицовки зданий и сооружений, из них и
изготовляют бортовые камни, ступени и другие изделия, а также
щебень для высокопрочного бетона.
Месторождения гранитов имеются в
Карелии, на Украине, Урале, в Закавказье и в нашей стране.

11.

Сиениты по минералогическому составу отличаются от гранитов
отсутствием кварца (или небольшим содержанием его) и преобладанием
щелочного полевого шпата. Сиениты, содержащие заметное количество к
иарца, являются переходными породами между сиенитами и гранитами.
Структура сиенитов обычно равномерно кристаллическая, но встречаются и
порфировидные разности. Окраска сиенитов чаще бывает серая,
красноватая, темно-зеленоватая. Плотность их 2600 . . . 2800 кг/м3,
пористость и водонасыщение у них незначительны. Предел прочности при
сжатии 120 ... 150 МПа. По сравнению с гранитами они несколько мягче,
лучше полируются и более вязки.
Применение сиенитов то же, что и гранитов.
Месторождения. Украина (Волынская область), Урал, Казахстан, Кавказ,
Средняя Азия, США, Канада, Германия, Норвегия и др. Сиенитами сложены
знаменитые Красноярские столбы.

12.

Диориты состоят в основном из полевого шпата (плагиоклаза) и роговой
обманки. Цвет диоритов от темного-зеленого до черного, плотность 2700 . . .
2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 150... 300 МПа. Диориты
характеризуются высокой вязкостью, хорошей сопротивляемостью удару и
истиранию, а также стойкостью против выветривания. Они хорошо поддаются
полировке. Применяют диориты для дорожных покрытий и облицовок.
Месторождения:
Северная Америка (Кордильеры). Распространен в Великобритании,
Центральной Азии (Казахстан), России (Урал, например Сангалыкское
месторождение диорита, Чёрная сопка), и в других районах мира.

13.

Габбро - самая прочная и стойкая магматическая горная порода, состоит из
полевого шпата (плагиоклаза) и темноокрашенных минералов (авгита и
оливина). Цвет габбро темно-серый, черный или темно-зеленый с
оттенками, плотность 2800 . . . 3100 кг/м3, предел прочности при сжатии
200 . . . 350 МПа. Габбро имеет высокие вязкость и стойкость против
выветривания. Изделия из габбро применяют в дорожном строительстве.
Месторождения. Распространены в различных районах Великобритании, в
Северной Америке (в горах Адирондак) и вдоль побережья п-ова Лабрадор
(Канада), в ЮАР, Франции, Шотландии (Великобритания) и др.; крупные
массивы габбро известны на Урале, Украине, Кольском полуострове, в
Закавказье и др.

14.

Лабрадориты - разновидность габбро, состоят преимущественно из полевого шпата и
минерала Лабрадора. Особенно ценны те лабрадориты, которые при полировке дают
декоративные поверхности с переливами синего, зеленого, золотистого и других цветов.
Применяется как высококачественный облицовочный камень в основном в
монументальной архитектуре, хотя некоторые образцы с яркой голубой и зелёной
иризацией используются как декоративно-поделочные камни. Лабрадориты применяют в
качестве декоративного облицовочного камня (Мавзолей В.И. Ленина и др.) .
Месторождения
Один из наиболее распространенных минералов группы плагиоклазов, встречается в
изверженных породах основного состава (анортозитах, габбро и др.). Распространен в
горах Адирондак (США, шт. Нью-Йорк) и Уичито (США, шт. Оклахома). Крупные массивы
лабрадорита имеются в Канаде (п-ов Лабрадор), Финляндии, на Украине.

15.

Главнейшими излившимися магматическими горными породами,
применяемыми широко в строительстве и промышленности строительных
материалов, являются диабазы, порфиры, базальт. Плотность, прочность и
другие свойства этих пород колеблются в широких пределах.
Диабазы - древние излившиеся породы (аналог габбро), иногда обладающие
порфировой структурой. Имеют цвет от темно-серого до черного, иногда с
зеленоватым оттенком. Диабазы отличаются большой вязкостью и малой
истираемостью. Плотность пород составляет 2800 . 3000 кг/м3; предел
прочности при сжатии около 250 МПа (у отдельных разновидностей он
достигает 400 МПа). Обработка диабазов затруднена ввиду их вязкости.
Область использования диабазов в строительстве - архитектурно-
строительные изделия для наружной облицовки зданий; для мощения улиц
(камни бортовые и брусчатка) и при производстве литых каменных изделий,
для получения щебня. Высокая кислотостойкость позволяет применять эти
породы в качестве материала для кислотоупорной футеровки

16.

Порфиры представляют собой излившиеся горные породы,
характеризующиеся порфировой структурой, т. е. наличием "вкрапленников"
в основной мелкозернистой массе. Цвет порфиров от красно-бурого до серого
с разнообразными оттенками, плотность 2400 .. . 2500 кг/м3, предел
прочности при сжатии 120 . . . 220 МПа.
Эта порода использовалась ещё в Древнем Риме для изготовления статуй
цезарей и предметов роскоши. Изделия из порфира стали популярны со
времён Клеопатры, которой принадлежало единственное в те времена
разработанное месторождение порфира. Позднее порфир применялся в
Европе даже в качестве булыжника для мощения улиц.
Порфиры применяют в дорожном строительстве и для изготовления
облицовочных плит.
Месторождения порфиров имеются в Крыму, на Кавказе, Урале и в других
местах.

17.

Базальты по химическому составу так же, как и диабазы, являются аналогами
габбро. Они представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся
в скрытокристаллическом или аморфном состоянии с зернистым строением и
стекловатой массой, заполняющей промежутки между зернами различных
размеров. Они являются твердыми и одновременно хрупкими
труднообрабатываемыми породами.
Предел прочности при сжатии у базальтов достигает 500 МПа, однако в связи с
содержанием стекловатой массы может снижаться до 400 МПа; плотность их
составляет 3000 . . . 3300 кг/м3. Наиболее ценными считаются свежие
мелкозернистые базальты, не содержащие стекла.
Базальты являются хорошими кислотоупорными материалами и высоко ценятся
как сырье для каменного литья.
Литой камень базальтин используется для получения отделочных изделий, труб,
химической аппаратуры, отличающихся кислотоупорностью, высокой
прочностью (до 800 МПа) и долговечностью.
Базальты добывают в Карелии, на Украине, Кавказе, Урале, в Забайкалье и
других районах страны.

18.

Андезиты - излившиеся горные породы серого или желтовато-серого цвета,
порфировой структуры, с плотной основной массой. Андезиты содержат
плагиоклазы, роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структура
может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура массивная или пористая. Физико-механические свойства сходны со
свойствами базальтов. Плотность андезитов около 2900 кг/м3, предел
прочности при сжатии - 150 . .. 250 МПа.
Андезиты применяют как кислотоупорный материал, а в строительстве для изготовления цоколей, ступеней, реже облицовочных плит.
Месторождения: Армения, Курильские острова, Украина, Грузия, Камчатка,
Кавказ, Средняя Азия, Приморье и др.

19.

Трахиты -по своему минеральному и химическому составу схожи с сиенитами,
но более пористы. Поэтому предел прочности при сжатии трахитов невысок
(60 . . . 70 МПа), а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко
обрабатываются и используются в качестве строительного камня.
Месторождения
Белоруссия, Чехия, Франция, Северная Италия, Армения, Кавказ и др.
Практическое значение
Красиво окрашенный трахит является декоративным и поделочным камнем.
Диагностика. Макроскопически очень похожи на липариты, но отличаются
от них по отсутствию порфировых выделений кварца. Имеют шероховатый
излом.

20.

Липариты - нововулканические породы, аналогичные по составу
граниту. Цвет белый, серый, светло-желтый, а иногда и красноватый.
Структypa липаритов часто микропорфировая с повышенным
содержанием стекловатой фазы. Наряду с плотными встречаются
пористые его разновидности. Они используются для получения
высококачественного изделия.
В качестве примера обломочных магматических рыхлых пород можно
назвать вулканические пеплы и пемзы, а цементированных пород вулканические туфы.
Вулканические пеплы представляют собой порошкообразные
частицы вулканической лавы, состоящие в основном из аморфного
кремнезема. Частицы крупностью до 5 мм называют вулканическим
песком. Вулканические пепел и песок применяют в качестве активной
добавки к цементам.

21.

Пемзы пористые породы светло-серого цвета, по внешнему виду похожие на
застывшую иену. Плотность их 400 . . . 800 кг/м3, предел прочности при
сжатии 2 ... 4 МПа. Большая пористость пемзы обусловлювает хорошие
теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор —
достаточную морозостойкость. Пемза служит заполнителем в легких
бетонах. Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее
в виде гидравлической добавки к цементам и извести.
Вулканические пеплы, пемзы и другие пористые вулканические породы
встречаются в Закавказье (Армения), на Северном Кавказе, Камчатке и в
других районах.
Вулканические туфы — пористые горные породы, состоящие из
вулканического пепла, уплотненного и сцементированного. Туфы имеют
разнообразную окраску: розовую, оранжевую, красную, коричневую и др.
Они характеризуются значительной пористостью, малыми плотностью и
теплопроводностью, достаточными прочностью и долговечностью, хорошо
обрабатываются. Эти качества туфов позволяют успешно применять их для
облицовки стен зданий; отходы добычи и обработки туфов после дробления
и фракционирования используют в качестве заполнителей легких бетонов.
Залежи вулканических туфов имеются в Армении, Грузии и на Дальнем
Востоке.

22.

Доломиты — горные породы химического происхождения, состоящие в основном из
одноименного минерала (СаС03 * MgC03), обычно имеют серовато-желтый цвет.
Структура их зернистая, плотная. По свойствам доломиты близки к плотным
известнякам, хотя их механическая прочность несколько выше, чем у последних.
Средняя плотность доломитов 2200 . . . 2700 кг/м3, предел прочности при сжатии 40 . . .
200 МПа. Доломиты легко обрабатываются режущим и скалывающим инструментами.
Месторождения доломита имеются на Украине и в других районах.
Магнезиты — горные породы кристаллического, а иногда аморфного строения,
состоят в основном из минерала магнезита (MgC03). Иногда содержат примеси
углекислого кальция и железа. Цвет их белый, желтоватый до бурого. Магнезиты
применяют для изготовления огнеупорных изделий, а также в качестве сырья для
производства минерального вяжущего — каустического магнезита.

23.

Гипс — горная порода обычно белого или серого цвета, состоит из минерала
того же названия (CaS04 *2Н20). Гипсовый камень имеет плотность 2000 . . .
2300 кг/м , предел прочности при сжатии около 50 МПа и невысокую
стойкость. Гипс используют главным образом для изготовления гипсовых
вяжущих веществ и в качестве добавки при производстве портландцемента,
Ангидрит — состоит в основном из минерала ангидрита (CaS04). По
внешнему виду мало отличается от гипса, цвет голубовато-белый до серого
с разными оттенками. Ангидрит применяют для получения гипсовых
вяжущих веществ.
Месторождения гипса имеются в Тульском и Горьковской областях, па
Северном Кавказе, Урале, на Украине п др.

24.

Известняк - ракушечник — пористая горная порода, состоящая из раковин и их обломков,
сцементированных известняковым вяжущим.
Мел — легкая и рыхлая горная порода органогенного происхождения, образовавшаяся в
результате отмирания и отложения скелетов фораминифер и радиолярий. По
химическому составу мел представляет собой почти чистый карбонат кальция с
незначительным количеством примесей в виде глин, кремнезема, карбоната магния и др.
Доломитами называют горные породы, состоящие преимущественного из минерала
доломита. Макроскопически они похожи на известняки. При выветривании доломиты
покрываются рыхлым желтовато-серым налетом (доломитовой мукой). Плотные
доломиты имеют среднюю плотность 2600 .. . 2900 кг/м3 и предел прочности при сжатии
50 .. . 150 МПа.
Мергели — горная порода, состоящая из смеси карбоната кальция и глинистых частиц.
Содержание СаС03 колеблется от 25 до 75 %.
Диатомит и трепел представляют собой легкие рыхлые горные породы, состоящие в
основном из аморфного кремнезема в виде панцирей диатомовых водорослей или
скелетов окаменелых организмов. Цвет этих горных пород белый, желтый и черный,
плотность 400 ... 1200 кг/м3.
Опока - каменистая осадочная, богатая кремнеземом горная порода белого, но чаще
светло-желтого, зеленоватого цвета. В качестве примесей в опоках чаще всего
встречаются кремнезем и глинистые частицы.

25.

Мраморы представляют собой зернисто-кристаллические горные породы,
образовавшиеся в результате перекристаллизации известняков и доломитов под
воздействием высоких температур и давлений.
Кварциты являются метаморфической разновидностью кремнистых песчаников.
Цвет их белый, красный и темно-вишневый.
Гнейсы по минералогическому составу сходны с гранитами, из которых они
образовались, но отличаются от них сланцеватым строением.
Сланцы — плотные и твердые породы сланцеватого строения,
образовавшиеся главным образом из глин, сильно уплотнившихся и
частично перекристаллизовавшихся под большим односторонним давлением.

26.

Природный камень служил основным строительным
материалом еще первобытному человеку.
Каменные природные материалы очень прочны,
долговечны, огнестойки, изготавливаются из местного
сырья.
Благодаря положительным эксплуатационным и
эстетическим качествам широко применяются для
облицовочных работ, устройства полов, дорожных
покрытий.
Пористые каменные материалы применяются в
конструкциях зданий в виде блоков. Отходы
используются в качестве заполнителей для бетонов, при
изготовлении искусственных каменных изделий на
минеральном и органическом вяжущем

27.

По виду обработки природные каменные
материалы делят на следующие основные виды:
- грубообработанные (бутовый камень, валун,
щебень, гравий, песок);
- штучный камень и блоки правильной формы
(для кладки стен);
- плиты с различно обработанной поверхностью
(облицовочные для стен, чистого пола);
- профилированные детали (ступени,
подоконники, пояски, наличники, капители
колонн);
- изделия для дорожного строительства (бортовой
камень, брусчатка, шашка для мощения)

28.

По показателям плотности природные камни
делятся на легкие (ρ≤1,8 г/см3) и тяжелые (ρ 1,8
г/см3)
По пределу прочности при сжатии образцов в
воздушно-сухом состоянии природные каменные
материалы делят на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5;
3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100.
Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням
По морозостойкости – 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300
и 500
Водостойкость. Кр=0,6-0,8

29.

По способу изготовления природные каменные
материалы и изделия делят на: пиленые и колотые
Используя ударную (рифленая, бороздчатая, точечная)
и абразивную (пиленая, шлифованная, лощенаягладкая, зеркально-гладкая) обработку природному
камню придают различную фактуру
Для обработки некоторых видов горных пород
применяют термический метод, основанный на
воздействии струи газа с высокой температурой

30.

Наименование
минерала
Химическая
формула
Твёрдость
Тальк
H 2 Mg 3 SiO3 4
1
Гипс
CaSO4 2H 2 O
2
Кальцит
CaCO3
3
Плавиковый
шпат
(флюорит)
CaF2
4
Апатит
Фото
камня
Ca5 PO4 3 F , Cl, OH
5

31.

Ортоклаз
(полевой
шпат)
Кварц
Топаз
K 2 O Al2 O3 6SiO2
SiO 2
Al2 SiO 4 F .OH 2
6
7
8
Корунд
Al 2 O3
9
Алмаз
C (в кристаллической форме)
10