Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT10
Минералы и горные породы – сырье для всех без исключения неорганических строительных материалов. Именно с этой точки зрения они и представляют интерес для строительного материаловедения.
Цель изучения данной темы – знакомство с минералами и горными породами, которые чаще всего используются в качестве сырья для получения строительных материалов как путем механической обработки: так и с применением обжига и других химических и физико-химических процессов. Кроме того, на примере минералов и горных пород можно проиллюстрировать одно из основных положений материаловедения – взаимосвязь состава, структуры и свойств материалов.
В курсе строительного материаловедения изучаются лишь некоторые минералы и горные породы. Более подробная информация о минералах и горных породах – в учебниках и руководствах по геологии (раздел «Минералогия»).
Минерал – химически и структурно индивидуализированное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, продукт физико-химических процессов, совершающихся в земной коре.
Другими словами, минералы – вещества, получившиеся в природных условиях. Как вещества они характеризуются прежде всего химическим составом. Поскольку почти все минералы твердые, они имеют также характерное внутреннее строение – кристаллическую или аморфную структуру. Кристаллические структуры различают также по типу кристаллической решетки.
Из минералов состоят горные породы. При этом минералы называют породообразующими в том случае, когда они представлены в горной породе в виде отдельных фаз - кристаллических или аморфных.
«Породонеобразующие» минералы (принятое название – второстепенные) входят в состав породообразующих в виде примесей, растворенных в основном минерале, пропитывающих его; отдельных фаз они не образуют, но могут сильно изменить цвет минерала, даже в том случае, когда доля примеси весьма мала – сотые или тысячные доли процента.
Если учесть еще полиморфизм (существование одного и того же минерала в различных кристаллических формах), становится понятным, почему минералы одного названия, но разных месторождений при одинаковом химическом составе имеют столь разный внешний вид
Горные породы – агрегаты минералов, образующие геологические тела, слагающие земную кору. Горные породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или чаще из нескольких минералов (полиминеральные).
Различие между минералами и мономинеральными породами, конечно, условно. Мономинеральная горная порода обычно содержит больше примесей, чем минерал, и имеет менее ярко выраженное кристаллическое строение. Например, гипс как минерал может состоять из кристаллических образований в виде прозрачных пластинок («марьино стекло»), в то время как горная порода того же названия чаще всего представлена в виде беловатой массы мелкозернистой или плотной структуры.
Основная характеристика горных пород – макроструктура (строение, видимое простым глазом или при небольшом увеличении – под лупой). Для полиминеральных пород указывают также составляющие их минералы. Структура породы зависит от условий ее образования в природе, поэтому горные породы классифицируют по происхождению (см. ниже).
Природные каменные материалы – строительные материалы, полученные путем механической (и только механической) обработки горных пород. Например, из гранита (горная порода) можно получить различные природные каменные материалы: бутовый камень – взрывом на месте добычи (в карьере); щебень – дроблением бутового камня; плиты – откалыванием или отпиливанием от монолита и др.
Минералы делят на классы по химическому составу. Названия классов, как можно видеть из табл.1, совпадают с названиями групп химических соединений.
Способ записи химических формул минералов групп оксидов: карбонатов и сульфатов ничем не отличается от принятого в химии. Более сложные химические формулы силикатов и алюмосиликатов, принято записывать одним из двух способов (см. в табл.1 формулы ортоклаза). Первый способ записи – кристаллохимическая формула (для ортоклаза это K[AlSi3O8]) – отражает строение кристалла минерала. Вторая формула (K2OAl2O36SiO2) называется стехиометрической. Она показывает только соотношение содержания химических элементов (в пересчете на условные оксиды) в минерале.
Более чем две трети минералов – это силикаты, алюмосиликаты или их «водные» разновидности, называемые гидросиликатами и гидроалюмосиликатами. Поэтому поясним более подробно строение и кристаллохимические формулы этих весьма распространенных минералов.
Структурной единицей атомно-молекулярного строения силикатов является так называемый кремнекислородный тетраэдр (рис.1а.) – ион SiO44- (атом кремния располагается в геометрическом центре тетраэдра, атомы кислорода – в вершинах тетраэдра). Кремнекислородные тетраэдры, соединяясь вершинами, ребрами или гранями, могут образовывать в силикатах цепи и кольца. Такие более сложные структуры также представляют собой отрицательные ионы – анионы (рис1б,в,г). Катионы металлов (K+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ и др.) удерживаются кремнекислородными анионами силой электростатического притяжения (ионная связь – по химической терминологии).
В алюмосиликатах некоторые из атомов кремния в тетраэдрах замещены на алюминий, в результате чего алюмосиликатные анионы при одной и той же конфигурации с силикатными имеют больший отрицательный заряд. В гидросиликатах и гидроалюмосиликатах в состав кристаллической ячейки входят также гидроксоионы.
Из свойств минералов отметим те, по которым чаще всего идентифицируют минералы.
Блеск минералов – способность отражать свет от своей поверхности. По блеску минералы легко разделить на две группы: обладающие металлическим блеском и имеющие неметаллический блеск. Металлический блеск на свежем изломе имеют самородные металлы. Руды металлов (чаще всего содержащие оксиды) имеют преимущественно тусклый металлический блеск. Неметаллический блеск может быть различным: стеклянным, перламутровым, шелковистым, жирным, восковым.
Таблица 1.
Некоторые породообразующие минералы
|
Группа |
Название |
Разновидности, синонимы |
Химическая формула (хим. название) |
Примечания |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Оксиды |
Кварц |
Горный хрусталь, аметист, морион |
SiO2 (кристаллический оксид кремния) |
Входит в состав гранита, гнейса, кварцита, песчаника и др. пород. Мелкозернистый рыхлый кварц – песок |
|
Опал, халцедон. |
Сердолик, благородный опал и др. Агат, оникс, кремень. |
Халцедон - SiO2 (аморфный), опал -SiO2nH2O (аморф.) |
Натечные образования, включения в разных породах, входит в состав диатомита, трепела |
|
|
Магнетит |
Магнитный железняк |
Fe3O4 или Fe2O3FeO (оксид железа III-II) |
Железная руда – магнетит |
|
|
Гематит |
Красный железняк |
Fe2O3 (оксид железа III) |
Железная руда – гематит |
|
|
Силика-ты и алюмосиликаты |
Полевые шпаты |
Ортоклаз, микроклин плагиоклаз, амазонит, лабрадор и др. |
Ортоклаз: K[AlSi3O8] или K2OAl2O36SiO2 (алюмосиликат калия) |
Входит в состав гранитов, сиенитов, гнейсов и др. пород. При выветривании образует каолинит (глин. минерал) |
|
Слюды. |
Мусковит, биотит, флогопит и др. |
Мусковит: KAl2[AlSi3O10](OH)2 |
Входит в состав гранитов и др. кислых пород. |
|
|
Fe-Mg силикаты |
Роговая обманка, авгит, оливин и др. |
Оливин: (Mg,Fe)2[SiO4] |
Входит в состав темных основных пород-габбро, базальт, диабаз и др. |
|
|
Каолинит |
Каолин |
Al2[Si2O5](OH)4 (гидросиликат алюминия) |
Породы – глины белые или обычные, если Al частично замещен Fe |
|
|
Карбонаты |
Кальцит |
Исландский шпат, известковый шпат |
СаСО3 (карбонат кальция) |
Породы – известняки, мраморы. |
|
Магнезит |
Магнезиальный шпат |
MgCO3 (карбонат магния) |
Порода – магнезит |
|
|
Доломит |
CaMg(CO3)2 (двойная соль) |
Порода – доломит |
||
|
Сульфаты |
Гипс |
Марьино стекло, селенит |
CaSO42H20 (двуводный сульфат Са) |
Порода – гипс, гипсовый камень |
|
Ангидрит |
CaSO4 (сульфат кальция) |
Порода – ангидрит |
Рис.1. Кремнекислородные анионы: a) SiO44-, б) Si2O76-, в) Si4O128-, г) Si4O116-.
Твердость – это сопротивление твердого материала внедрению в его поверхностный слой другого материала при вдавливании или царапании. По вдавливанию определяют твердость пластичных материалов, например, металлов. Для каменных материалов (как природных, так и искусственных) твердость определяют с помощью так называемой шкалы Мооса. Шкала Мооса – список из десяти минералов, пронумерованных соответственно от 1 до 10, так что каждый последующий минерал имеет твердость на единицу больше предыдущего.
Таблица 2.
Минералы шкалы Мооса
|
Число твердости |
Название минерала |
Стехиометрическая формула |
Практическая характеристика твердости |
|
1 |
Тальк |
3MgO.4SiO2.H2O |
Легко царапается ногтем |
|
2 |
Гипс |
CaSO4.2H2O |
Царапается ногтем |
|
3 |
Кальцит |
CaCO3 |
Легко царапается стальным ножом |
|
4 |
Флюорит |
CaF2 |
Царапается ножом с небольшим нажимом |
|
5 |
Апатит |
Ca5(PO4)3F |
Царапается ножом под сильным нажимом |
|
6 |
Ортоклаз |
K2O.Al2O3.6SiO2 |
Царапает стекло под небольшим нажимом |
|
7 |
Кварц |
SiO2 |
Легко царапает стекло, является абразивом |
|
8 |
Топаз |
Al2[SiO4](F,OH)2 |
Легко царапает стекло, является абразивом |
|
9 |
Корунд |
Al2O3 |
Легко царапает стекло, является абразивом |
|
10 |
Алмаз |
C |
Легко царапает стекло, использ. как стеклорез |
Если минералы шкалы Мооса имеются в наличии, твердость любого материала можно определить, пытаясь поцарапать предложенный материал последовательно каждым из минералов шкалы. Например, если флюоритом (№4) не удается поцарапать материал, а следующий минерал шкалы (№5) – апатит оставляет уже заметную царапину на том же материале, то твердость предложенного к определению материала 4… 5.
Когда невозможно воспользоваться непосредственно эталонными минералами шкалы Мооса, твердость определяют приблизительно, в некотором интервале.
При идентификации минералов их разделяют условно на три группы по твердости (иногда на четыре):
1. Мягкие минералы – ноготь оставляет на них царапину (Твердость 1… 2 по шкале Мооса).
2..Минералы средней твердости – ноготь не оставляет на них царапину, минерал не оставляет царапину на стекле. По шкале Мооса их твердость находится в пределах от 3 до 5. Минералы средней твердости царапаются стальным ножом.
3. Твердые минералы – оставляют царапину на стекле. Их твердость 6 и более по шкале Мооса (в лабораторных работах предлагаются минералы с твердостью не более 8).
Примечание. В приближенном методе определения твердости (с помощью ногтя и стекла) трудности могут возникнуть при определении твердости на границе между группами, так как стекло само по себе может иметь твердость 5… 7, а ноготь 2… 3.
Черта – это след, который оставляет мягкий или средне-твердый минерал на белой поверхности более твердого материала – неглазурованного фаянса или фарфора. Цвет черты, т.е. цвет порошка раскрошившегося минерала, необязательно совпадает с цветом самого минерала. По цвету черты также можно идентифицировать минерал. Черту, в отличие от царапины, можно стереть с поверхности пальцем. Способность некоторых твердых минералов давать порошок определяют, пытаясь соскоблить стальным ножом частицы с поверхности минерала на стекло или бумагу.
Спайность – способность кристаллического минерала раскалываться в определенных направлениях, давая ровные, гладкие, блестящие поверхности. Будем различать три типа спайности: а) весьма совершенная, когда минералы, раскалываясь в одном направлении, дают ровные пластинки (слюда, гипс – марьино стекло); б) совершенная, когда в одних направлениях при раскалывании получаются гладкие поверхности: в других неровные (все полевые шпаты); в) спайность отсутствует – при раскалывании в любом направлении получаются неровные поверхности излома (кварц).
Для определения спайности необязательно раскалывать минералы коллекции – надо внимательно рассмотреть кусок минерала и определить наличие гладких поверхностей.
Цвет минерала, как правило, не является характерным его признаком, потому что зависит от наличия примесей, содержащихся иногда в ничтожных количествах: но сильно влияющих на цвет минерала. По цвету идентифицируют только некоторые твердые темные минералы.
3. Краткие сведения о горных породах
По происхождению горные породы подразделяют на три группы (Рис.2). В каждой группе можно выделить несколько подгрупп. Приводимая здесь классификация и термины несколько упрощены по сравнению с принятыми в геологии.
Рис.2. Схема классификации горных пород по происхождению
Магматические (изверженные) породы, называемые также первичными, образовались из магмы, плазменной субстанции, поднимающейся из глубин планеты. В том случае, когда магма не выходит на поверхность, процессы породообразования при охлаждении плазмы протекают в глубине земной коры, образуются глубинные породы. Породы, образовавшиеся из магмы, которая подошла близко к земной поверхности или вылилась на нее через трещины и разломы, называют излившимися плотными. К излившимся пористым (вулканогенным) относятся породы, получившиеся из продуктов, выброшенных через кратеры вулканов.
Осадочные породы вторичны по отношению к изверженным, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения (выветривания) магматических пород. При механическом разрушении в результате выветривания первичных пород образуются механические отложения (осадочные породы), которые могут находиться в рыхлом или в сцементированном состоянии. Природным цементом для склеивания частиц служат породообразующие или второстепенные минералы, находившиеся в начале процесса вторичного породообразования в растворенном или коллоидном состоянии. Химические осадки образуются в природе подобно осадкам в пробирке – при осаждении продуктов взаимодействия растворенных (вымытых из породы) веществ. Органические отложения (органогенные осадки) представляют собой неорганическую часть древних организмов (ракушек, водорослей).
Метаморфические породы также вторичны. Они образовались в результате метаморфизма (превращения) изверженных или осадочных пород. Метаморфизация происходит при действии высоких температур, высокого давления, горячих растворов, циркулирующих в породах. Эти факторы проявляются при тектонических процессах, когда резко меняются «условия существования» ранее образовавшихся пород. Метаморфизм состоит в существенном изменении структуры породы при неизменном (или незначительно изменившемся) химическом составе.
Ранее отмечалось, что основой идентификации горных пород является их макроструктура, видимая простым глазом или при небольшом увеличении (под лупой). В геологии различают понятия структуры и текстуры пород. Однако в европейской и американской литературе представления о структуре и текстуре взаимно противоположны, поэтому будем придерживаться одного простого термина – строение породы.
Типы строения горных пород.
1. Строение зернистое. Минералы, слагающие породу, представлены зернами, ясно различимыми простым глазом или с помощью лупы. По крупности зерна различают крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, тонкозернистые породы. Зернистые породы могут иметь равномернозернистое или неравномернозернистое строение (в последнем случае зерна имеют разные размеры). Пример зернистой породы – гранит.
2. Строение порфировое. На сплошном плотном фоне разбросаны вкрапления более или менее крупных зерен отдельных минералов. Пример – порфирит.
3. Строение обломочное (конгломератное). Обломки различной формы, величины, цвета сцементированы плотной массой. Различимы прослойки цементирующего вещества (что отличает этот тип строения от зернистого). Пример – брекчия.
4. Строение плотное – зерна неразличимы без микроскопа. Пример – яшма.
5. Строение землистое. Порода пачкает руки, растирается между пальцами. Примеры: глина, мел.
6. Строение пористое. Поры могут быть отдельными крупными (ноздреватость) – это еще не пористое строение. Основной признак пористого строения - порода легкая. Мелкие поры могут быть неразличимы без увеличения. Пример: вулканический туф.
7. Строение сланцеватое (слоистое). Сланцеватость – способность горных пород при ударе раскалываться на плитки. Куски пород в коллекции не надо раскалывать. Кусок сланцеватой породы уже имеет форму плитки. При этом с торца видны слои, слагающие породу. Примеры: сланцы, гнейсы.
8. Порода состоит из сцементированных раковин морских животных. Пример: известняк-ракушечник.
Взаимосвязь состава, структуры и свойств горных пород можно проследить по таблице 3.
В таблице указано также наиболее типичное применение горных пород в строительстве. Одни породы подвергают только механической обработке и получают природные каменные строительные материалы, другие подвергают химической переработке. Например, обжигом глины получают керамику, а из смеси глины с известняком также после обжига получается цемент.
Таблица 3.
Некоторые горные породы, применяемые в строительстве и производстве строительных материалов
|
Подгруппа и примеры пород |
Внешний вид и строение |
Минеральный состав |
Свойства и особенности |
Применение в строительстве |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
МАГМАТИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ |
||||
|
Глубинные: гранит, сиенит, диорит, габбро. |
Строение зернистое. Гранит бывает серый: розовый, красный. От серого гранита к габбро становится все больше черных зерен |
В граните – кварц, полевой шпат, слюда; от гранита до габбро уменьшается кварц, увеличивается содержание Fe-Mg-силикатов. |
С уменьшением содержания SiO2 от гранита к габбро уменьшается кислотность, увеличивается плотность и прочность |
Конструкционный и облицовочный материал: блоки, плиты, фигурные изделия, бортовые камни, щебень для бетона и дорог, бут. |
|
Излившиеся: липарит, трахит, андезит, базальт |
Строение порфировое, у базальта плотное или тонкозернистое. От липарита к базальту темнеют. |
Состав аналогичен глубинным и также изменяется от липарита к базальту В порфировых, вокруг вкрапленников минералы в аморфном состоянии (стекло). |
От липарита к базальту увеличивается плотность и прочность, при порфировом строении прочность меньше, чем у глубинных |
Порфировые породы для облицовки. Щебень, бут. В производстве стекла. Базальт применяется для каменного литья и производства брусчатки для мостовых. |
|
Обломочные: пемза, вулканический туф. |
Строение пористое, в туфе могут быть вкрапления зерен различного цвета. |
Вулканическое стекло и обломки изверженных пород |
Плотность пемзы – меньше 1 г/см3, у туфа несколько больше. Повышенные теплоизоляционные свойства (по сравнению с др, камнями) |
Стеновые камни и облицовочные плиты (туф), легкий щебень, добавка в цемент (в порошке). Пемза – абразивный материал. |
|
ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ |
||||
|
Механические: конгломерат, брекчия, песчаник глина |
Строение обломочное (конгломерат, брекчия), песчаник иногда зернистый, глина – землистое строение. |
Обломки разных пород, в песчанике – кварц (зерна) цементирующие: известняк, опал и др. В глине гидросиликаты Al |
Свойства определяются цементирующим веществом. У глин главное свойство пластичность. |
Плиты тротуаров, ступени лестниц, иногда облицовки, щебень, бут (это кроме глины). Глина – сырье для керамики и цемента. |
|
Химические: гипс, известковый туф, магнезит доломит. |
Характерно плотное строение, реже - тонкозернистое. Туф - пористый. Гипс может быть землистым. |
Это мономинеральные породы. Известковый туф состоит из кальцита. Остальные – см. табл.1. |
Прочные только магнезит и доломит. Карбонаты вскипают при действии HCl, магнезит и доломит в порошке. |
Основное применение – химическая переработка в вяжущие. Из магнезита и доломита можно делать облицовочные плиты. |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Органогенные: известняк, мел, мергель, диатомит трепел. |
Известняк - плотное, известняки-ракушечники сложены из ракушек. Мергель – плотное или землистое, мел - землистое, диатомит, трепел – землистое и пористое. |
Известняк, мел – из кальцита, мергель – природная смесь известняка с глиной, диатомит, трепел из микрочастиц опала. |
Известняк, мел, мергель - реагируют с HCl. Известняк - прочный. Диатомит, трепел - плотность < 1 г/см3. |
Известняк – щебень, бут, плиты облицовочные. Известняк-ракушечник - стеновые камни. Известняк, мел, мергель сырье для цемента, извести Диатомит, трепел – добавки к вяжущим |
|
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ |
||||
|
Гнейсы |
Строение – зернисто-сланцеватое |
Чаще всего как у гранита (продукт его метаморфизма – ортогнейс). |
Анизотропны – прочность зависит от направления усилия. |
Плиты, бутовый камень, булыжник для мощения дорог, реже – щебень. |
|
Сланцы |
Строение сланцеватое. |
Состав зависит от исходной породы. Например, глинистый сланец - уплотненная послойно глина. |
Типичные анизотропные материала – разные свойства в разных направлениях. |
Применение зависит от состава. Глинистый и некоторые другие сланцы – кровельный материал (плитки). |
|
Мрамор |
Строение зернистое. |
Состоит из кальцита (мрамор - метаморфизованный известняк). Цвет зависит от примесей. |
Вскипает при действии HCl. Не царапает стекло. Прочнее известняка. |
Декоративные облицовки (плиты), щебень (крошка) в декоративных бетонах. Фигурные изделия, скульптура. |
|
Кварцит |
Строение тонкозернистое или мелкозернистое. |
Состоит из зерен кварца, скрепленных кремнеземом. Получается при метаморфизме кремнистого песчаника |
Твердый, огнеупорный, стоек в кислотах и щелочах, атмосферостоек. Самая долговечная горная порода. |
Для производства огнеупорных изделий (динаса). Плиты для облицовки монументальных зданий. Щебень, шашка для мостовых. |