Испытание и исследование строительных материалов
 Скачать 13.91 Mb.
|
Глава 2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой горных пород. Горные породы – это нерудные полезные ископаемые, состоящие из одного (мономинеральные) или нескольких (полиминеральные) минералов. Они являются основным источником получения строительных материалов. В промышленности строительных материалов горные породы служат сырьем для получения вяжущих веществ – цементов, извести, гипса, для изготовления керамики, стекла и других материалов. Песок, щебень, гравий служат заполнителями для бетонных смесей и растворов. При механической обработке горных пород получают плиты для декоративной отделки из гранита, мрамора, лабрадорита, известняка. Из пористых горных пород изготовляют блоки для кладки стен, теплоизоляционные материалы. Природные каменные материалы различают по следующим показателям:
Изучением минералов и горных пород занимается наука «Петрография». 2.1. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИЕРАЛОВ Минералы- это природные тела, однородные по химическому составу, строению и физическим свойствам, образующиеся в результате физико-химических процессов в земной коре. Каждый минерал обладает комплексом свойств и признаков: химический состав, строение, плотность, твердость, прочность, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, прозрачность и др.). Изучение минералов начинается с петрографической характеристики, которую составляют на основе внешних признаков. Она дает представление о степени однородности породы, строении, сложении, рисунке, характере раскола, свойствах поверхности и позволяет определить вид минерала или горной породы. При составлении петрографической характеристики используют молоток, стальную иглу, лупу, шкалу твердости, линейку и 10-ти % раствор соляной кислоты и др. Более глубокие исследования минералов и горных пород проводят в петрографических лабораториях с помощью поляризационных микроскопов. На рис.2.1 показано изучение горной породы с помощью лупы с подсветкой (Лупа ILLUMINATED MAGNIFYING GLASS) Изучаются следующие характеристики: Строение (структура) – может быть кристаллическим (мелко-, средне-, крупно- и грубозернистыми), скрытокристаллическим, стекловидным, порфировым. Сложение (текстура) – может быть плотным, сланцеватым, слоистым, ленточным, чешуйчатым, волокнистым, мелко- крупнопористым, ячеистым, землистым.
Звук при ударе молотком – звонкий, глухой, дребезжащий и т.п., зависит от сложения, влажности. Характер раскола – гладкий, волокнистый, шероховатый, землистый и др. Твердость – свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела. Определяются по шкале твердости Мооса или с помощью прибора - твердомера. Спайность – способность минералов раскалываться по определенным направлениям, параллельным сеткам кристаллической решетки с наибольшей плотностью атомов и с наименьшей силой сцепления между слоями. Спайность может проявляться в одной или нескольких плоскостях. Различают: спайность весьма совершенную (минералы легко расщепляются по плоскости спайности, например кальцит); спайность несовершенная (раскалывание происходит не обязательно по плоскости спайности, например апатит); спайность отсутствует, (минералы раскалываются по неопределенным направлениям и дают неровную поверхность излома, например кварц). Излом может быть рванный, ступенчатый, раковистый. Спайность с точки зрения применения в строительстве- отрицательное свойство. Она уменьшает прочность, затрудняет обработку каменных материалов. Цвет минералов и горных пород бывает различным. Он зависит от химического и минералогического состава цементирующего вещества, примесей. Он не является постоянным признаком. Обычно минералы и горные породы по цвету делят на шесть групп:
Блеск обуславливается способностью минерала отражать световой луч, частично преломлять его или поглощать. Отраженный свет создает впечатление блеска. Различают блеск стеклянный, металлический, перламутровый (отливает радужными цветами), жирный, восковой, тусклый (мерцающий), матовый (без блеска), шелковистый. Стеклянный, металлический блеск характерен для минералов, кристаллы которых обладают зеркально гладкой поверхностью. Если отражательная поверхность кристаллов не гладкая, а бугристая или шероховатая, то отраженный с такой поверхности свет частично рассеивается, и блеск приобретает тусклый оттенок. Такой блеск называют жирным. Минералы с глубоко выраженными неровностями обладают восковым блеском. Минералы параллельно-волкнистого строения имеют шелковистый блеск. Минералы слоистой кристаллической структуры с совершенной спайностью имеют перламутровый отлив. Породообразующие минералы можно разделить на четыре группы: группа кварца, группа алюмосиликатов, группа железисто-магнезиальных силикатов, группа карбонатов и сульфатов. 1. Группа кварца SiO2 (кремнезем). Это ряд минералов, представляющих собой модификации диоксида кремния – кварц, опал, халцедон. Кварц является одной из главных составных компонентов горных пород (гранита, кварцита, песка). Обладает высокой твердостью и прочностью, химической и атмосферной стойкостью. Халцедон – скрытокристаллическая разновидность кварца, содержащая до 1,5% воды, оксида железа, алюминия. Опал – гидрид окиси кремния SiO2∙nH2O, это аморфный кремнезем, обладающий определенной химической активностью. Содержит примеси оксидов магния, алюминия, железа. 2. Группа алюмосиликатов, объединенных общей формулой Me∙Al2O3∙nH2O (где Me – калий, натрий, кальций). К этой группе относятся полевые шпаты, слюды. Полевые шпаты являются наиболее распространенными минералами, входят в состав изверженных горных пород – гранитов, сиенитов, габбро и др. Существует две разновидности полевых шпатов. Ортоклаз (прямораскалывающийся) К2О∙Al2O3∙ 6SiO2; Плагиоклаз (косораскалывающийся) Na2О∙Al2O3∙ 6SiO2 (альбит) и СaО∙Al2O3∙ 2SiO2 (анортит). Полевые шпаты обладают высокой твердостью, плотностью. Прочность и стойкость ниже чем кварца. Для них характерна спайность в двух плоскостях. Цвет от белого до темно-серого, от светло-розового до темно-коричневого, зависит от примесей. Слюды – водные алюмосиликаты слоистой структуры, обладающие совершенной спайностью в одной плоскости, поэтому легко расщепляются на тонкие пластины. Слюда – широко распространенный минерал изверженных и осадочных горных пород. Наибольшее распространение получили слюды мусковит и биотит. Мусковит – прозрачная калиевая слюда высокой плотности; до 18 века, ее применяли для оконных проемов, вместо стекла. В настоящее время слюду используют в качестве бронирующей посыпки для рубероида, а также для изготовления огнеупорных красок и декоративных растворов. Биотит – темная железисто-магнезиальная слюда. В строительстве применяют ее разновидность – вермикулит, содержащий химически связанную межслоевую воду. Из него при нагревании до 900…1000оС получают вспученный вермикулит (коэффициент вспучивания достигает 15…20), который применяют для изготовления тепло- звукоизолирующих материалов. Глинистые минералы – это водные силикаты алюминия, входят в состав глин. Образуются при выветривании полевых шпатов и представляют собой агрегаты мельчайших кристаллов размерами мельче 0,01…0,001 мм. Обладают пластичностью при увлажнении. Наиболее часто встречаются: Каолинит – мягкий минерал белого цвета, используется при производстве тонкой керамики, полимерных материалов. Монтмориллонит – алюмосиликат переменного состава высокой дисперсности, адсорбционной способности, пластичности в увлажненном состоянии. 3. Железисто-магнезиальные силикаты. Асбест – группа водных силикатов магния и железа кристаллы которых представляют собой тончайшие мелколистые волокна. За способность асбеста легко распадаться на волокна ему дали образное название – «горный лен». В строительной индустрии применяют так называемый хризотил – асбест 3MgO∙2SiO2∙2H2O. Из него изготовляют асбестоцементные изделия. 4. Группа карбонатов и сульфатов. Карбонаты – это минералы, состоящие из солей угольной кислоты. Входят в состав осадочных горных пород. Основные представители карбонатов – кальцит, магнезит, доломит. Кальцит СаСО3 – один из наиболее распространенных минералов в земной коре. Из него сложены такие породы как мел, известняк, мрамор. Кальцит без примесей – прозрачный хрупкий минерал, обладающий совершенной спайностью по трем плоскостям; при раскалывании образуются кристаллы в виде косых параллелепипедов. Легко разлагается кислотами с бурным выделением углекислого газа. При нагревании до температуры 900оС он разлагается по реакции:  На этом основано получение минеральных вяжущих в строительстве. Магнезит МаСО3 – входит в состав горной породы магнезита. По свойствам близок к кальциту, но менее активен чем кальцит. Доломит – СаСО3∙МаСО3 довольно распространенный минерал, образует горную породу доломит. По свойствам занимает промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. С кислотами реагирует без вскипания. Сульфаты – это соли серной кислоты. Для строительства интерес представляют гипс, ангидрит. Они составляют горные породы того же названия, которые используют для производства вяжущих веществ. Гипс СаSО4∙2Н2О – мягкий прозрачный (в чистом виде), светло-серый, желтоватый, розоватый минерал, легко растворяется в воде. Встречается в виде кристаллов. Для гипса, развивающегося в пустотах и трещинах, характерно волокнистое строение. Ангидрит СаSО4 – безводный гипс, минерал светло-серого или серо-голубого оттенка. В природе встречается в виде прослоек в залежах гипса и самостоятельно – в виде сплошных мелкозернистых агрегатов. Сведения об основных породообразующих минералах приведены в табл.2.2 При проведении лабораторных занятий по данной теме студентами выдают набор минералов-эталлонов, свойства которых они изучают по учебникам. Затем им выдают 2-3 образца для определения названия минерала. Для этого студенты сравнивают внешние признаки образцов (цвет, блеск, спайность и др.) с эталоном и проверяют твердость минералов по шкале твердости Мосса. При необходимости выполняют пробу на соляную и уксусную кислоту. Табл.2.1 Шкала твердости минералов
Шкала состоит из 10 минералов различной твердости, расположенных в такой последовательности, что каждый последующий минерал своим острым концом оставляет царапину на предыдущем. Для определения твердости устанавливают, какой из минералов шкалы царапается последним. Например, исследуемый минерал делает черту на плавиковом шпате (4 балла), а сам царапается апатитом (5 баллов), следовательно, твердость исследуемого минерала ≈4.5 балла. Микротвердость минералов и горных пород можно получить с помощью прибора ПМТ-3 (рис.2.2) , принцип действия которого основан на вдавливании в образец алмазной пирамиды. Он представляет собой микроскоп, на тубусе которого смонтированы осветитель и устройство для закрепления алмазной пирамиды. Для определения микротвердости прибор центрируют, образец – шлиф закрепляют на планке предметного столика. Рукояткой прибора медленно (10…15с) передают нагрузку (2…200 гс) на образец и раскалывают его. При этом шток опускается на поверхность образца, и алмазная пирамидка под действием груза вдавливается в тело материала. Через 5 с пирамиду возвращают в исходное положение, а на поверхности образца остается отпечаток, диагональ которой измеряют с помощью микроскопа. Число твердости (МПа) рассчитывают по формуле:  где Р – нагрузка на острие алмазной пирамиды; d – длина диагонали отпечатка
Чтобы иметь достоверные сведения о твердости минерала, необходимо испытать не менее трех отдельных образцов, сделав для каждого образца по три определения. Для минералов, мало различающихся по внешним признакам и имеющих близкую по значению твердость (например, кальцит, гипс, ангидрит), довольно эффективным является способ воздействия 10% раствором соляной кислоты. При этом карбонаты "вскипают", выделяя углекислый газ. CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2 MgCO3+2HCl=MgCl2+H2O+CO2 По результатам петрографического анализа устанавливают названия минералов и их влияние на свойства различных горных породах. Таблица 2.2 |
