Сырьевые ресурсы для производства строительных материалов и изделий

• Название: Сырьевые ресурсы для производства строительных материалов и изделий
• Дата: 14.01.2023
• Размер: 1.01 Mb.
• Имя файла: Stroymat_nastya.docx
• Тип: Документы; #885938
• страница: 1 из 3

4. 
   Сырьевые ресурсы для производства строительных материалов и изделий.
   

Основным природным сырьем для производства строительных материалов являются горные породы. Их используют для изготовления керамики, стекла, металла, неорганических вяжущих веществ. Сотни кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.

Горные породы как сырьевая база производства строительных материалов

Горные породы – это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся в результате физико-химических процессов.

Минералы – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов в земной коре и обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физико-механическими свойствами.

По условиям образования горные породы разделяют на три основные группы.

Магматические (первичные) горные породы образовались при охлаждении и отвердевании магмы.

Осадочные (вторичные) горные породы образовались в результате естественного процесса разрушения первичных и других пород под влиянием механического, физического и химического воздействия внешней среды.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате последующего изменения первичных и вторичных пород, связанного со сложными физико-химическими процессами в земной коре (давлением, температурой и т.п.).

Магматические горные породы

Они могут быть: а) глубинными (интрузивными); б) излившимися (эффузивными). Глубинные – это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Излившиеся породы образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы и ее затвердении на поверхности.

Главные породообразующие минералы– кварц (и его разновидности), полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты, алюмосиликаты. Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, по­этому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способ­ность к обработке (к полировке, шлифовке и т.п.).

Кварц, состоящий из кремнезема (диоксида кремния SiО₂) в кри­сталлической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает: исключительно высокой прочностью (при сжатии до 2000 МПа); высокой твердо­стью, уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; высокой кислотостойкостью и вообще химической стой­костью при обычной температуре; высокой огнеупорностью (плавится при температуре 1700°С). Цвет кварца чаще всего молоч­но-белый, серый. Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, в состав которых он входит. Поэтому кварц является также одним из наиболее встречающихся ми­нералов и в осадочных породах.

Полевые шпаты – это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от общей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т.п.). Главными разновидно­стями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы. По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значитель­но меньшими прочностью (120-170 МПа на сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным образом, в виде полевошпатовых песков). Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды, содержащей углекисло­ту. Результатом выветривания является глинистый минерал – каоли­нит.

К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в магматических породах, относятся железисто-магнезиальные и магнезиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты.

В группе железисто-магнезиальных силикатов наиболее рас­пространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (роговая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вторичные минералы, чаще всего замещающие оливин, – серпен­тин, хризотил-асбест.

В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды: обыкновенные – мусковит (почти бесцветный), флогопит и биотит (темного цвета); гидрослюды – гидромусковит, гидробиотит.

Все вышеперечисленные минералы, за исключением мусковита и гидромусковита, отличаются от кварца и полевых шпатов тем­ной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета). Характерными свойствами цветных минералов (за исключением слюд) являются высокая прочность и ударная вязкость, а также повышен­ная плотность по сравнению с другими минералами, которые входят в состав магматических пород.

Водные алюмосиликаты (слюды) являются нежелательной со­ставной частью пород. Они понижают прочность пород, ускоря­ют их выветривание и затрудняют шлифовку и полировку, так как в результате совершенной спайности слюды легко раз­деляются на очень тонкие пластинки. Бетоны и строи­тельные растворы на песке со значительным содержанием слюды обладают пониженной морозостойкостью.

Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда намеренно вводят слюду в целях достижения определенного ху­дожественного эффекта.

Глубинные (интрузивные) горные породы. При медленном остывании магмы в глубинных условиях воз­никают полнокристаллические структуры. Следствием этого является ряд об­щих свойств глубинных горных пород: весьма малая пористость и, следовательно, большая плотность и высокая прочность. Обра­ботка таких пород из-за их высокой прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются. Средние показатели важнейших строительных свойств та­ких пород: прочность при сжатии 100-300 МПа; плотность
2600-3000 кг/м³; водопоглощение меньше 1 % по объему; тепло­проводность около 3 Вт/(м × °С).

Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25-30 %), натриево-калиевых шпатов (35-40 %) и плагиок­лаза (20-25 %), обычно небольшим количеством слюды (5-10 %) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии – 120- 250 МПа (иногда до 300 МПа). Со­противление растяжению, как у всех каменных материалов, отно­сительно невысокое и составляет лишь около 1/30-1/40 от сопро­тивления сжатию.

Одним из важнейших свойств гранитов является малая пористость, не превышающая 1,5 %, что обусловливает водопо­глощение около 0,5 % (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он рас­трескивается при температурах выше 600 °С вследствие поли­морфных превращений кварца. Гранит, так же как и большинст­во других плотных магматических пород, обладает высоким со­противлением истиранию.

Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основ­ном от окраски полевых шпатов. Граниты являются прекрасным декоративным облицовочным материалом. В связи с высокой прочностью на сжа­тие, морозостойкостью граниты применяют для защитной обли­цовки набережных, устоев мостов, цоколей зданий, а также в ка­честве щебня для высокопрочных и морозостойких бетонов. Кроме того, благодаря значительной кислотостойкости граниты применяют в качестве кислотоупорной облицовки.

Из всех изверженных пород граниты наиболее широко исполь­зуют в строительстве, так как они являются самой распростра­ненной из глубинных магматических пород. Остальные глубин­ные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и при­меняются значительно реже.

Излившиеся (эффузивные) горные породы. Магматические породы, образовавшиеся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и занимающие по условиям зале­гания и структуре промежуточное положение между глубинными и излившимися породами, имеют полнокристаллические неравномернозернистые и неполнокристаллические структуры.

Среди неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структуры. Порфировидные структуры обусловлены наличием относительно крупных кристаллов на фо­не мелкокристаллической основной массы породы. Порфировые структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов – порфировых «вкрапленников», погруженных в стек­ловидную основную массу породы. Из магматических пород, образовавшихся при кристаллизации магмы на небольших глубинах, в строительстве наиболее широко применяют кварцевые и бескварцевые (полевошпатовые) порфи­ры.

Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Их прочность, пористость, водопоглощение сходны с показателями этих свойств, присущими грани­там. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие нали­чия крупных вкраплений.

Бескварцевые порфиры (полевошпатовые) по своему составу близки к сиенитам, но в связи с иным генезисом обладают худ­шими физико-механическими свойствами.

Излившиеся горные породы, образовавшиеся в результате излия­ния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, состоят, как правило, из отдельных кри­сталлов, вкрапленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую массу. Излившиеся породы в результате неравномерного распределе­ния минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются при выветривании и под воздействием внешних условий, а также обнаруживают анизотропность механических свойств. Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся по­ристые.

К плотным излившимся породам относят андезиты, базальты, диабазы, трахиты, липа­риты.

Андезиты – излившиеся аналоги диоритов – породы серого или желтовато-серого цвета. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую об­манку, некоторые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая. Плотность андезитов 2700-3100 кг/м³, предел прочности при сжатии 140-250 МПа. Андезиты применяют для получения кислотостойких облицовочных изделий, в виде щебня для кислотоупорного бетона.

Базальты – излившиеся аналоги габбро – породы черного цве­та, скрытокристаллические или тонкозернистые, иногда порфировые. Физико-механические свойства сходны со свойст­вами андезитов. Базальты ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Применяют главным образом в качестве бутового камня и щебня для бетонов, в дорожном строительстве (для мощения улиц); особо плотные породы используют в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным сырьем для литых каменных изделий, используются для получения минеральных волокон в производстве теплоизоляционных материалов.

К пористым излившимся породам относят пемзу, вулканиче­ские туфы и пеплы, туфолавы. Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, об­разовавшееся в результате выделения газов при быстром засты­вании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. По­ристость ее достигает 60 %; стенки между порами сложены стек­лом. Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2-2,5 г/см³, плотность 0,3-0,9 г/см³. Большая порис­тость пемзы обусловливает хорошие теплоизоляционные свойст­ва, а замкнутость большинства пор – достаточную морозостой­кость. Пемза –ценный заполнитель в легких бетонах (пемзобето­не). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использо­вать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. В качестве абразивного материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, полировки каменных изделий.

Вулканический пепел – наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вул­канических взрывах. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является активной минеральной добавкой.

Вулканические туфы – горные породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и других, впоследствии уплотненных и сцементированных. Туфолава – горная порода, занимающая промежуточное поло­жение между пеплом и туфом. Образование туфолав связывают с быстрым вспениванием лав при резком падении давления и свя­занным с этим дроблением вкрапленников и стекла без разрыва сплошности лавного потока. Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются вы­ветриванию, мало теплопроводны и, несмотря на большую по­ристость, морозостойки. Они легко обрабатываются, распилива­ются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.

Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких пере­крытий. Используются они также в качестве декоративного кам­ня, чему благоприятствует наличие туфов разных цветов - лило­вых, желтых, красных, черных и др. Применяются туфы и в виде щебня для легких бетонов.

Осадочные горные породы

Осадочные породы в зависимости от условий их образования делят на три подгруппы: а) обломочные породы или механи­ческие осадки – рыхлые (гравий, глины, пески), остав­шиеся на месте разрушения пород или перенесенные водой, льдом (ледниковые отложения) или ветром (эоловые отло­жения); сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии), зерна которых сцементиро­ваны различными природными «цементами»; б) химические осадки (гипс, известняк и др.), образо­вавшиеся из продуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном виде; в) органогенные породы, образовавшиеся из остатков некоторых водорослей и животных (скелеты губок, ко­раллов, раковины и панцири ракообразных и др.); к органоген­ным породам относятся мел, известняк-ракушечник, диатоми­ты.

Большинство осадочных пород имеет более пористое строе­ние, чем плотные магматические породы, а следовательно, и меньшую прочность. Некоторые их них сравнительно легко рас­творяются (например, гипс) или распадаются в воде на мельчай­шие частицы (например, глины).

Главные породообразующие минералы. В составе осадочных пород можно выделить две различные по своему происхождению группы минералов: реликтовые и минера­лы осадочного происхождения. К первой группе относят минералы магматические и метаморфические; обычно зерна этих минералов окатаны; ко второй – минералы, образовавшиеся на месте в осад­ке или породе.

Наиболее распространенные минералы группы кремнезема – кварц, опал, халцедон. В осадочных породах присутствует кварц магма­тического происхождения и кварц осадочный. Осадочный кварц отлагается непосредственно из растворов, а также образуется в результате перекристаллизации опала и халцедона. Он широко распространен в кремнистых породах, заполняет трещины, поровые пространства и другие полости в песчаниках и известняках.

Опал – аморфный кремнезем. Опал чаще всего бесцветен или молочно-белый, но в зависимости от примесей может быть желтым, голу­бым или черным. Плотность 1,9-2,5 г/см³, максимальная твер­дость 5-6, хрупок. Опал, халцедон, некоторые вулканические породы при применении в составе соответствующих горных пород в качестве заполнителей бетона могут вступать в реакцию со щелочами цемента, вызывая разрушение бетона (опал является наиболее реакционноспособным из указанных компонентов).

Минералы группы карбонатов имеют ши­рокое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль в них играют кальцит, доломит и магнезит.

Кальцит (СаСО₃) – бесцветный или белый, при наличии меха­нических примесей серый, желтый, розовый или голубоватый минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,7 г/см³, твердость 3. Ха­рактерным диагностическим признаком является бурное вскипание в 10 %-ной соляной кислоте.

Доломит [CaMg(CO₃)]₂ – бесцветный, белый, часто с желтова­тым или буроватым оттенком минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,8 г/см³, твердость 3-4. В 10 %-ной соляной кислоте вскипает только в порошке и при нагревании. Доломит обычно мелкозернистый, крупные кристаллы встречаются редко. Образуется он либо как первичный химический осадок, либо в результате доломитизации известняков. Минерал доломит слагает породу того же названия.

Магнезит (MgCO₃) – бесцветный, белый, серый, желтый, ко­ричневый минерал. Плотность 3,0 г/см³, твердость 3,5-4,5. Растворяется в НСl при нагревании. Минерал магнезит слагает породу того же названия.

Представители группы глинистых минералов сла­гают глины, а также могут находиться в качестве примесей в пес­чаниках, алевролитах, известняках и многих других породах, су­щественно изменяя их физико-механические свойства. Минералы этой группы относятся к водным алюмосиликатам. Наиболее широкое распространены каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.

Каолинит (Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O) – белый, ино­гда с буроватым или зеленоватым оттенком минерал. Плот­ность 2,6 г/см³, твердость 1. На ощупь жирный. Встречается в виде мелоподобных плотных агрегатов. Каолинит образуется в результате разложения полевых шпатов, слюд и некоторых дру­гих силикатов в процессе их выветривания и переноса продуктов разрушения. Каолинит слагает каолиновые глины, входит в состав по­лиминеральных глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород.

Монтмориллонит слагает бентонитовые глины, иногда служит цементирующим материалом в песчаниках.

Гидрослюды образуются при разложении слюд и некоторых других силикатов (например, полевых шпатов). Примеси глинистых минералов в известня­ках и песчаниках нежелательны, так как содержание уже 3-4 % глины резко понижает их водостойкость и морозостойкость.

Наиболее распространенными минералами группы сульфатов являются гипс и ангидрит.

Гипс (CaSO₄×2H₂O) представляет собой скопление белых или бесцветных кристаллов, иногда окрашенных механическими примесями в голубые, желтые или красные тона. Блеск стеклян­ный. Плотность 2,3 г/см³, твердость 2. Для гипса, развивающегося в пустотах и трещинах, характерны волокнистое строение и шел­ковистый блеск.

Ангидрит (CaSO₄) – белый, серый, светло-розовый, светло-голубой минерал. Блеск стеклянный. Плотность 3,0 г/см³, твер­дость 3-3,5. Как правило, встречается в виде сплошных мелкозер­нистых агрегатов. Гипс и ангидрит слагают породы того же названия, широко распростра­ненные в соленосных отложениях.

Осадочные поро­ды нередко содержат органические остатки животного и расти­тельного происхождения, сложенные кремнистым или известко­вым веществом. Представителями этой группы минералов являются диатоми­ты, сложенные остатками диатомовых водорослей.

Обломочные породы. Породы рассматриваемой группы сложены преимущественно зернами устойчивых к выветриванию минералов и горных по­род.

Рыхлые обломочные породы – песок (с зернами преимущественно до 5 мм) и гравий (с зернами свыше 5 мм)– применяют в качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырье­вой смеси в производстве стекла, керамических и многих других изделий.

Глинистые породы сложены более чем на 50 % частицами мельче 0,01 мм, причем не менее 25 % из них имеют размеры меньше 0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом. Кроме того, глинистые породы могут содержать обло­мочные зерна кварца, полевых шпатов, слюд, а также гидроокис­лы, карбонаты, сульфаты и прочие минералы. Наличие обломоч­ной примеси оказывает существенное влияние на степень пла­стичности глины.

За основу минералогической классификации глинистых пород принимается состав глинистых минералов. Каолиновые глины сложены минералом каолинитом. Обычно эти глины окрашены в светлые тона, жирные на ощупь, они ма­лопластичны, огнеупорны.

Полимиктовые глины характерны наличием двух или несколь­ких минералов, причем ни один из них не является преобладаю­щим. Они окрашены в бурые, коричневые, серые или зеленоватые тона. Обычно содержат значительное количество песчаной и алевритовой примеси и различные карбонаты, сульфаты, сульфи­ды, гидроокислы железа и т.п.

Каолиновые глины яв­ляются огнеупорными и их широко используют в керамической промышленности в этом качестве. Гидрослюдистые глины и глины полимиктового состава применяют для изготовления кирпича, грубой керами­ки и других изделий. Глины являются также компонентом сырье­вой смеси в производстве цемента. Глины используют как строи­тельный материал при возведении земляных плотин (экраны и пр.).

Сцементированные обломочные породы – песчаники, конгломераты, брекчии. Песчаник состоит из зерен песка, сцементиро­ванных различными природными «цементами». Если в состав пород входят крупные куски (гравий или щебень), то им даются название конгломерата (при округлых кусках) и брекчии (при остроугольных кусках). Из них чаще всего применяются в строительстве песчаники (так же, как и плотные известняки). Однако наличие кварцевых зерен делает песчаники труднообрабатываемыми.

Хемогенные породы. Среди пород химического происхождения наиболее важными в строительном деле являются карбонатные, сульфатные и аллитовые породы.

Наиболее распространенными карбо­натными породами являются известняки и доломиты. Известняк – порода, сложенная более чем на 50 % кальцитом; доломит – поро­да, состоящая более чем на 50 % из доломита. Количество глинистой примеси в карбонатных породах может колебаться в широких пределах. Порода, характеризующаяся приблизительно равным содержанием карбонатного и глинисто­го материала, называется мергелем.

Пористость плотных известняков не превышает десятых долей процента, а рыхлых достигает 15-20 %. Окраска известняков зави­сит от примесей и может быть различной: белой, желтоватой, бурой, серой, темно-серой до черной.

Доломиты по внешнему виду похожи на известняки. Цвет доломитов белый, жел­товато-белый, светло-бурый. Для них характерны микрозерни­стые и кристаллически-зернистые структуры.

Благодаря широкому распространению, легкой добыче и об­работке известняки, доломитизированные извест­няки и доломиты применяют в строительстве чаще, чем другие породы. Их используют в виде бутового камня для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теп­лым климатом, а наиболее плотные породы применяют в виде плит и фасонных деталей для наружных облицовок зданий. Из­вестняковый щебень часто используют в качестве заполнителя для бетона. Известняки широко применяют как сырье для получения вяжущих веществ – извести и цемента. Доломиты используют для получения вяжущих и огнеупорных материалов в цементной, стекольной, керамической и металлургической про­мышленности.

Сульфатные породы – гипс и ан­гидрит; в природных условиях в результате гидрата­ции и дегидратации они переходят друг в друга. Ангидрит отличается от гипса большей твердостью. Гипс и ангидрит служат сырьем для получения вяжущих веществ, иногда их применяют в виде облицовочных изделий.

Аллитовые породы характеризуются высоким содержанием глинозема. В этой группе выделяют две главные породы: бокситы и латериты. Породообразующими минералами бокситов являют­ся гидроксиды алюминия (гиббсит и диаспор). Бокситы разнообразны по внешнему виду. Они могут быть мягкими, рыхлыми, похожими на глину и плотными с рако­вистым изломом. Пластичностью бокситы не обладают. Окраска обусловлена наличием гидроксидов железа. Чаще она бывает красная, бурая, коричневая, зеленовато-серая. Бокситы исполь­зуют для производства алюминия, искусственных абразивов, ог­неупоров, глиноземистого цемента.

Органогенные породы. К осадочным органогенным породам относятся биогенные кремнистые породы и органогенные известняки.

Биогенные кремнистые породы (силициды) сложены осадоч­ным кремнеземом (опалом, халцедоном, кварцем). Главными разновидностями кремнистых пород яв­ляются диатомиты, радиоляриты, спонголиты, трепелы, опоки. Диатомиты – легкие светлые тонкопористые породы, со­стоящие из опаловых скелетов диатомовых водорослей. Трепелы и опоки – белые или серые, очень легкие, похожие на каолиновую глину или мел, породы, состоящие из опала, реже халцедона.

Кремнистые породы находят разнообразное практическое применение. Диатомиты, трепелы, опоки применяют для про­изводства теплоизоляционных материалов, в виде минеральных добавок к вяжущим веществам (воздушной извести, портландце­менту).

Органогенные известняки (например, известняки-ракушечники) могут быть сложены целыми рако­винами или обломками раковин различных морских беспозво­ночных, а также остатками известковых водорослей. Разновидность органогенных известняков – мел. Это микро­зернистая слабоцементированная порода белого цвета.

Известняки-ракушечники применяют в строительстве в виде строительного камня. Способ­ность легко распиливаться, небольшая плотность (от 0,8 до 1,8 г/см³), малая теплопроводность – характерные свойства этого материала.