Горные породы и минералы в строительстве

В этой статье мы разберемся в том, как возникли разные виды горных пород, которые стали сейчас основой большинства строительных материалов. Представителями, каких геологических эпох они являются, какие процессы повлияли на их превращения, что закалило и сделало гранит и мрамор твердыми, а пемзу рыхлой и легкой. Подробные характеристики и область применения песка, щебня, бутового камня и некоторых других горных пород в строительстве вы можете найти в статье – «Что такое нерудные строительные материалы».

Классификация горных пород основана на способе и условиях их возникновения. Общие принципы происхождения (генезиса) горных пород были впервые предложены М.В. Ломоносовым. Современная схема классификации изображена ниже.

На схеме обозначены три основных типа пород:

1. Древнейшие из всех – магматические, которые образовались в процессе первичного остывания магмы, возраст некоторых 2-3 миллиарда лет.
2. Осадочные породы – возникли в результате выветривания первичных пород (магматических). Крошение эрозия под действием атмосферных явлений и перепадов температур.
3. Метаморфические — возникли в результате преобразования первых двух видов. Под метаморфозой подразумевается изменение структуры и приобретение новых свойств под воздействием высоких давлений, температур и химической трансформации во время нахождения их в земной коре.

Магматические породы

Магма - это расплавленная до жидкого состояния смесь кремния (силикатный состав) с включениями других элементов. Остывала земная поверхность не равномерно, и в результате образовались породы с разными физическими и химическими свойствами:

1. Плотные кристаллические породы – получались, если охлаждение происходило медленно, под давлением и без образования газообразных фракций.
2. Аморфные (стеклообразные) породы, а также породы с частичной кристаллизацией зарождались в местах разломов и ближе к поверхности земной коры.
3. Излившиеся горные породы. Большинтво вулканического происхождения. Самыми легкими и молодыми из них являются пористые горные породы, возникли в результате остывания потоков магмы на поверхности.

Химический состав и физические свойства пород зависят от содержания оксида кремния в первичной магме.

Если содержание оксида кремния выше 65 %, то магма считается кислой в этих породах высокое содержание кварца. У пород, которые кристаллизовались в глубине земной коры из кислой магмы плотная кристаллическая структура, высокая прочность и стойкость к перепадам температуры, ярким представителем пород этого типа являются граниты.

Если оксида кремния от 50 до 65 % - магма считается средней – сиениты (в составе пород практически отсутствует кварц).

Если меньше 50%, то основной магмой– диориты, габбро.

Дальше подробно изложены характеристики горных пород, которые массово используются в строительстве.

Плотные кристаллические породы

Гранит — твердая порода высокой плотности (2600-2700 кг/м³). Предельная прочность на сжатие 100-250 МПа, на растяжение гранитные (как и другие каменные) элементы стараются не нагружать, поскольку здесь предельная прочность не превышает 6-9 МПа. Структура гранита зернистая с заметными кристаллическими включениями. В составе гранита:

• кварц от 20 до 40 %;
• полевой шпат от 40 до 70 %;
• слюда от 5до 20 % в некоторых месторождениях вместо слюды бывает роговая обманка.

Граниты бывают серых, розовых и красных оттенков. Окрас граниту придает полевой шпат. Изделия из гранита обладают высокой прочностью, морозостойкостью и декоративной ценностью. Хорошо поддается обработке, прекрасно держит качество шлифовки и полировки, поэтому широко применяется как облицовочный и скульптурный материал.

Область применения: как самостоятельный облицовочный и конструкционный материал, и как состав смесей для бетона (в виде гранитного щебня).

Сиениты — сходные с гранитом породы, но без кварца (средняя магма). Структура, физические и химические свойства подобны граниту, также как и область применения.

Диориты — содержат порядка 75 % полевых шпатов. Произошли в результате остывания основной магмы. Цвет определятся темными железистомагнезиальными алюмосиликатами. Они же придают породе темно-серый цвет и мелкокристаллическую структуру. Успешно применяется в дорожном строительстве (облицовка брусчатка) благодаря высокой ударной вязкости. Удельная плотность выше, чем у гранитов - 2800-3000 кг/м³.

Габбро — кроме типичной для глубинных кристаллических пород высокой прочности, обладают ярко выраженной декоративной ценностью. Происходит из бескварцевой основной магмы, кристаллическая структура крупная.

Состав и характеристики:

• полевой шпат 50 %;
• авгит, роговая обманка – 50%
• удельная плотность - 2900-3000 кг/м³;
• прочность на сжатие – 200-350 МПа

Цвета глубокие, насыщенные от почти черного, темно-серого, до темно-зеленого. Прекрасно поддается полировке и долго держит «зеркало».

Отдельно стоит упомянуть лабрадорит (подвид габбро, насыщенных синих оттенков). По декоративной ценности не уступает самоцветам (полудрагоценным камням) благодаря основе из ирризирующего полевого шпата.

Габбро	Лабрадорит

Амфорные среднекристалические породы

Плотные породы, образовавшиеся в результате остывания поверхностной магмы (излившиеся породы) характеризуются стеклообразной или порфированой структурой. Это когда отдельные кристаллы минерала включены в амфорную стеклообразную массу.

Порфиры. Порода с кварцевыми включениями называется кварцевый порфир (родственник гранита), а порфирит с включениями полевого шпата – аналог диорита. Многие порфириты обладают высокими декоративными свойствами.

Базальт — по минеральному составу и физическим свойствам аналог габбро. Наиболее широко применяемая и распространенная порода из этой группы. Существует разновидности со стеклообразной или скрытно-кристалической структурой. Цвета базальтов - от темно-серого до черного.

Базальты сложны в обработке из-за высокой твердости, и одновременной ломкости и хрупкости. Основная область применения в виде щебня и сырья для получения волокон для минеральных утеплителей (базальтовая вата).

Излившиеся горные породы

Это породы вулканического происхождения – пепел, песок, пемза и их производные которые цементировались в вулканический туф.

Для порошкообразных частиц вулканического происхождения характерна способность к затвердеванию. Зачастую без добавления извести и цемента. Впервые вулканический пепел Везувия был использован как добавка к вяжущим растворам при строительстве.

Пемза — единственный камень, который не тонет в воде. Структура пористая, легкая размеры фрагментов от 5 до 150 мм. Удельная плотность — 500 -1000 кг/м³. Хороший естественный теплоизолятор (0,14…0,23 Вт/(м * К)). Несмотря на низкую прочность, успешно используется для приготовления легких бетонов. Также активно используется как абразивный инструмент (порошок и куски).

Вулканические туфы — слежавшийся и спекшийся пепел вулканического происхождения. Подобно пемзе структура туфов пористая процент «пустоты» от 30 до 60 %. Термоизоляционные свойства в 1,5-2 раза выше, чем у обожженного глиняного кирпича. Цвет тусклый красновато-оранжевый или коричнево-лиловый.

Как облицовочный и кладочный материал вулканические туфы чаще всего используют вблизи непосредственных месторождений. Размолотый в порошок туф применяют как добавку к цементным смесям.

Существуют осадочные породы:

1. Механического происхождения – это разрушившиеся и выветрившиеся горные породы без изменения минерального и химического состава.
2. Органогенные осадочные породы - образовались из минерализованных останков живых организмов океана (кораллы, мелкие ракообразные, моллюски).
3. Хемогенные породы – образовались в результате растворения первичных пород и последующей кристаллизации из водных растворов.

Наиболее распространенными представителями механических осадочных пород являются:

• песок – преобладающий минерал кварц (как самый твердый) образовался при распаде и выветривании гранитов;
• глина – результат распада полевых шпатов;
• гравий – результат механического дробления и обкатки водой твердых горных пород.

Вышеперечисленные породы являются рыхлыми или сыпучими по своей структуре.

Под действием минерализации и давления следующих слоев они могут цементироваться и образовывать новые монолитные породы осадочного происхождения: песчаники, брекчии и конгломераты.

Песчаники – это кварцевый песок, который связан природным цементом, например, карбонатом кальция, водным кремнеземом, гипсом и т. п. Существуют известковые, кремнистые некоторые другие виды.

Как строительный материал активно используются известковые и кремнистые песчаники, благодаря своей водостойкости. Механической обработке лучше поддаются известковые песчаники, а у кремнистых песчаников выше прочность.

Конгломераты и брекчии (природные бетоны)— это сцементированные крупные зерна гравия или щебня (брекчии). Области их использования такие же, как у песчаников.

Органогенные осадочные породы

Это известняки, основной состав которых карбонат кальция СаС0₃ и реже кремнезем Si0₂.

Известняки одна из самых распространенных и широко используемых горных пород. Цвет определяется примесями, бывают: белые, светло-серые, серовато-кремовые или желтоватые.

Свойства:

• удельная плотность — 2000-2600 кг/м³;
• прочность на сжатие соизмерима с бетоном, до 100 МПа;
• при этом порода достаточно мягкая и хорошо обрабатывается.

Мраморовидные известняки — по структуре переходная порода. Удельная плотность и прочность выше, чем у обычного известняка до 2700 кг/м³ и прочность на сжатие до 150 МПа.

Известняк-ракушечник — хорошо знакомый отделочный материал. Структура пористая состав минерализованный останки раковин и панцирей моллюсков. Плотность и прочность ракушечника не высока, но он хороший естественный теплоизолятор и легок в обработке. Кроме облицовки используется и как кладочный материал для стен.

Хемогенные осадочные породы

Осадочные породы, которые остались на месте высохших морей и океанов.

В качестве строительных материалов применяются: гипс, ангидрит, известковый туф, магнезит и доломит.

Известковый туф - это карбонат кальция, выпавший в осадок из подземных вод насыщенных углекислотой. Структура пористая. Достаточно мягкие для обработки. Легко распиливать на плоские облицовочные блоки.

Магнезит — состоит из карбоната магния MgC0₃. Основное сырье для огнеупорных кирпичей, для газовых печей, котлов и химических производств.

Метаморфические породы

Горные породы с новой структурой и свойствами, без существенного изменения первоначального минерального и химического состава. Причина таких метаморфоз — повышенное давление, температура, минерализация подземными водами. Подвержены изменениям как исходные магматические, так и осадочные породы. Типичный пример метаморфизма преобразование монолитного перидотита в серпентинит. Слоистый по структуре с включениями тонких волокон асбеста.

В строительстве давно и активно используются: мрамор, кварциты, глинистый сланец и гнейс.

Глинистый сланец	Гнейс	Кварциты

Мраморы — видоизмененный известняк. Представляет собой уплотненную кристаллическую структуру из трикарбоната кальция (СаС03), без цементирующего связующего.

Разнообразие рисунков и богатая расцветка мрамора объясняется добавками и примесями, такими как гематит, лимонит, хлорит и т.п.

Мрамор менее тверд и устойчив к действиям кислот, в том числе углекислого газа по сравнению с гранитом.

Поэтому, не смотря на более привлекательный внешний вид и декоративные свойства, использовать мрамор в качестве напольного покрытия и наружного покрытия ограниченно рекомендуется. Полы не должны интенсивно использоваться, а облицовку из мрамора не рекомендуется применять, если здание стоит на улице с интенсивным автомобильным движением (выхлопные газы окисляют и разъедают структуру мрамора).

Это далеко не полный перечень горных пород и способов их применения, но в качестве обзорного материала эта статья будет полезна и строителям и просто людям, которые активно интересуются тем, как устроен мир. Не все даже среди профессиональных строителей, в курсе, что у гранита и мрамора принципиально разное происхождение, а оно и определяет физические свойства, такие как твердость, химическая устойчивость, износостойкость.

Правильный выбор строительных материалов основывается не только на разнообразии рынка и советах продавцов. Важно понимать происхождение материалов и природные свойства. Только основываясь на таких знаниях, вы сможете разумно подойти к выбору оптимальных стройматериалов для каждого элемента здания – фундамента, стен и даже утеплителей. Читайте статьи, советуйтесь с профессионалами и тогда в действительности ваш дом будет вашей крепостью на долгие годы. А при возникновении вопросов по выбору стройматериалов, расчетам нужного количества – звоните! Мы специалисты, разбираемся в строительных материалах и можем предоставить качественную консультацию. Котнактный телефон 0800 50-54-52.