Повна версія

Головна arrow Культурологія arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПРИРОДНІ КАМ'ЯНІ МАТЕРІАЛИ І ВИРОБИ

[1]

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Природні будівельні матеріали, одержувані в результаті відносно нескладної механічної обробки монолітних гірських порід із збереженням їх фізико-механічних і технологічних властивостей, використовують у вигляді плит, блоків, бортових і облицювальних каменів, дорожньої бруківки, бутового каменю, щебеню, дробленого піску і т. Д . У величезних кількостях використовують також природні пухкі породи: валуни, гравій, пісок, глину та ін. Крім того, гірські породи є найважливішими сировинними продуктами при отриманні штучних будівельних матеріалів (будівельної кераміки, вогнетривів, скла, цементу, вапна та ін.), для чого їх піддають складним видам механічної і хімічної переробки.

Широке використання природного сировини пов'язано зі сприятливими фізико-хімічними властивостями численних порід. Уже в ранній період свого існування людина виявив на поверхні землі і в се надрах безліч природних матеріалів, які повністю задовольняли його порівнянообмежені потреби. На наступних стадіях розвитку людського суспільства з'являються підвищені вимоги до якості будівельного каменю і одночасно ускладнюються способи обробки та переробки природної сировини для отримання матеріалів з іншими якостями і властивостями, наприклад, перетворення звичайної глини в камінь при її випалі з отриманням стабільних властивостей готового продукту.

Гірськими породами називаються прості і складні природні мінеральні агрегати, які займають значні ділянки земної кори і відрізняються великим або меншим постійністю хімічного і мінерального складу, структури, а також певними умовами залягання. Вони складають поверхневі шари земної кори потужністю 15-60 км і утворюють природні скупчення цінної мінеральної сировини. В даний час в нашій країні щорічно витрачається близько 2 млрд, т гірських порід на потреби промисловості будівельних матеріалів.

Породотвірні мінерали

Для виробництва будівельних матеріалів і виробів гірські породи видобувають з поверхневих шарів земної кори, до складу якої входять всі хімічні елементи: кисень - до 47%, кремній - до 26%; алюміній і залізо становлять відповідно 8 і 5%, сумарна кількість кальцію, магнію, натрію і калію не перевищує 11% загальної маси гірських порід. Інші елементи складають приблизно 3% складу земної кори. У чистому вигляді хімічні елементи зустрічаються в ній рідко; переважна більшість їх перебуває у вигляді сполук з однорідним хімічним складом, структурою і властивостями, які називаються мінералами. Вміщені в складі гірських порід мінерали поділяють на породообразующие і другорядні. Перші, приблизно 40-50 мінералів, беруть участь в утворенні гірських порід і обумовлюють їх властивості; другі зустрічаються в них тільки у вигляді домішок. Серед породоутворюючих мінералів виділяються первинні і вторинні. Первинні виникли при формуванні порід, вторинні - пізніше, як продукти видозміни первинних мінералів.

Природні мінерали знаходяться в основному в твердому стані і мають переважно кристалічну будову з закономірним розташуванням частинок (іонів, атомів, молекул) в просторі. Рідше вони зустрічаються у вигляді аморфних речовин з безладним просторовим розташуванням частинок. Кожен мінерал виникає як хімічна сполука в природі в умовах, що характеризуються певним порівняно вузьким значенням температури, тиску і концентрацій хімічних компонентів в системі. Він зберігається незмінним до тих пір, поки не відбувається помітної зміни цих умов. І тоді мінерал може бути підданий зміни, руйнування або заміщення в гірських породах іншими мінералами, т. Е. Природними хімічними сполуками, стійкими в нових умовах. Втім, серед мінералів добре відомі і ті деякі їх різновиди, які здатні зберігати свою стійкість в досить широких межах зміни зовнішніх умов, наприклад, алмаз, графіт, корунд, рутил та ін.

Тверді мінерали мають ряд характерних властивостей, що впливають на технічні властивості порід: твердість, спайність, злам, блиск, забарвлення, щільність. Ці властивості залежать від будови і міцності зв'язків в кристалічній решітці.

Твердість характеризує поверхневу енергію мінералу. Вона оцінюється за шкалою Мооса, яка складається з десяти мінералів, розташованих в порядку зростання їх твердості: тальк, гіпс, кальцит, флюорит, апатит, польовий шпат, кварц, топаз корунд і алмаз. Визначають твердість пробою на дряпання; виражається вона порядковим числом відповідного еталона в шкалі, що залишає подряпину на випробуваному зразку. Більш точну оцінку твердості отримують спеціальними склерометріческімі приладами. Показник твердості матеріалу має велике практичне значення і побічно дозволяє судити про механічні властивості природного каменю.

Спайність проявляється у вигляді здатності мінералів розколюватися за певними напрямами з утворенням гладких дзеркальних поверхонь - площин спайності. Одні мінерали легко розщеплюються на найтонші платівки в одному або декількох напрямках, в інших вона виявляється погано або зовсім відсутній. Спайність служить важливим діагностичним ознакою мінералів і разом з показниками твердості сприяє попередньою оцінкою механічних властивостей природних матеріалів.

Злам є характеристикою нерівній поверхні розколу мінералу, що пройшов не по напрямках спайности. Серед різноманітних видів зламу виділяються рівний, ступінчастий, нерівний, раковистий, скалкуватий, землистий. Злами дозволяють не тільки діагностувати, але й оцінювати властивості мінералів.

Забарвлення - важлива діагностична ознака мінералів, так як для більшості їх вона зберігається постійною і разом з тим має визначальне значення для декоративної характеристики природного каменю. Забарвлення обумовлена ​​присутністю фарбувальних елементів (хромофор) в складі мінералу, зокрема Cr, Mn, Fe і ін., Або сторонніх тонко забарвлених домішок, іноді газових бульбашок. Можливо також поява помилкової забарвлення, спричиненої інтерференцією світлових променів при їх відображенні від внутрішніх площин тріщин спайності.

Блиск виникає в результаті відображення світлових променів від поверхні мінералу і має важливе діагностичне значення. Одночасно він є характеристикою декоративних або ювелірних достоїнств мінералу. Блиск з'являється під впливом двох чинників: показника заломлення світлового променя при проходженні в кристалічній середовищі мінералу і коефіцієнта його поглинання цим середовищем. При найбільшому показнику заломлення у прозорих мінералів виникає дуже сильний алмазний (неметаллический) блиск. Речовини з невеликим показником заломлення (наприклад, сірчисті мінерали) зазвичай непрозорі і характеризуються металевим блиском. Залежно від величини показника заломлення і характеру поверхні, що відбиває мінерали набувають скляний, перламутровий, жирний, шовковистий, матовий і інші види блиску, які враховуються при відборі мінеральної сировини для практичних цілей. У природі переважають мінерали зі скляним блиском, мають середні показники заломлення 1,3-1,9.

Щільність (справжня) [2] коливається у мінералів від значень, менших одиниці (озокерит), до 20 і вище (осмістий іридій). Вона залежить від хімічного складу і структури, атомної маси елементів, їх іонних радіусів і валентності. Числові значення щільності крім діагностичних характеристик мають практичну цінність при оцінці якості мінеральної сировини і використовуються при його збагаченні. Найбільшого поширення в природі мають мінерали з малої (від 2 до 4 г / см 3 ) щільністю. Приводиться нижче описані основні і важливих в породообразующие щодо мінералів передбачає характеристику представників класів силікатів, оксидів і гідроксидів, карбонатів, сульфатів, сульфідів і самородних мінералів.

Силікати є солями різних кремнієвих кислот і відносяться до складних хімічних сполук, що містить в своєму складі елементи К, Na, Са, Mg, Fe, Mn, Al, Si, О, H та ін. Однак для них більш характерним є не хімічний склад, а особливості кристалічної будови з наявністю іонної кристалічної решітки. Основною структурною одиницею цієї решітки є кремнекислородних тетраедр (БіОд) 4 ', розміри якого майже завжди строго постійні (рис. 8.1). Характерною особливістю кремнекислородних тетраедрів є здатність іона Si частково замінюватися іоном А1 з появою в кристалічній решітці інших алюмокисневі тетраєдри (АЮ4) 4 "з утворенням каркасних алюмосилікатів. До найбільш важливим представникам цього класу відносяться польові шпати, нефелін, рогова обманка, авгит, слюди, гідрослюди , а також вторинні силікати - тальк, азбест, каолініт, монтморилоніт.

кремнекислородних тетраедр

Мал. 8.1. кремнекислородних тетраедр

Польові шпати за хімічним складом - алюмосилікати калію, натрію, кальцію. У гірських породах поширений калієвий польовий шпат К (А18ізОб), іменований ортоклазом.

Характерна його особливість: між двома площинами спайності у нього утворюється прямий кут, і його назва означає прямораскаливающійся (орто - прямо, Клазен - розколювання). Не менш поширені польові шпати і у вигляді плагиоклазов, т. З. косораскаливающіхся.

До двох різновидів цих польового шпату відносяться альбіт - алюмосилікат натрію Na (AlSi30s) і анортит - алюмосилікат кальцію Ca (AhSi208) 8. Ортоклаз має світле забарвлення, скляний блиск, високу твердість (6-6,5) [3] , досконалу спайність у двох напрямках і щільність від 2,5 до 2,7 г / см 3 . На поверхні землі ортоклаз поступово вивітрюється і перетворюється в глинистий мінерал. Як породообразующий компонент ортоклаз надає підвищену твердість і міцність гірській породі. Високосортні поклади калієвих польових шпатів є в Карелії, на Уралі, в Сибіру та інших районах нашої країни.

Плагіоклази в природі існують у вигляді численних різновидів - від чистого анортиту до чистого альбіта, причому чим вищий вміст анортиту в складі плагіоклазу, тим вище показник його основності. Так, при вмісті в складі плагіоклазу від 0 до 30% анортиту він є кислим плагікла- зом, від 30 до 60% - середнім і від 60 до 100% - основним. Плагіоклази бувають білого або сірувато-білого, рідше сірого і чорного кольорів зі скляним блиском і характерною для них иризацией в синіх і зелених тонах. Відрізняються високою твердістю (6-6,5), крихкістю і щільністю в межах 2,61-2,76 г / см 3 , зробленою спайністю. Плагіоклази нестійкі до хімічного вивітрювання на поверхні землі і переходять в глинисті з'єднання. Застосовуються в якості особливо цінного декоративного та облицювального матеріалу (лабрадор). Їх родовища відомі на Україні і Уралі.

До числа каркасних алюмосилікатів, об'єднаних кремнеземом, відноситься також нефелин Na (AlSiC> 4), який входить як породообразующий мінерал в лужні магматичні породи (нефелінові сиеніти, нефелініти і ін.). Нефелін - безбарвний або частіше сірувато-білий мінерал з різноманітними відтінками, має твердість 5-6 і невисоку щільність (2,6 г / см 3 ), недосконалу спайність , нерівний або раковистий злам. Легко вивітрюється на поверхні землі, перетворюючись в каолинит і вторинні освіти карбонатного, сульфатного складу та ін. В контакті з багатющими апатитовими родовищами нефелінові породи нерідко утворюють великі масиви, що мають промислове значення; використовуються при виробництві цементу, скла; з нефелінових відходів за допомогою збагачення одержують глинозем, соду, силікагель, ультрамарин і ін. Родовища цих порід відомі на Кольському півострові (Хібіни).

До стрічкових силікатів (амфіболи) відноситься рогова обманка - важливий породообразующий компонент магматичних і метаморфічних порід. В се складу входять елементи Na, Са, Mg, Fe, Al, Si, О, H, утворюючи складну хімічну формулу. Рогова обманка забарвлена в темно-бурі, зелені і чорні кольори з шовковистим або скляним блиском. Має високу твердість (5,5-6) і щільність (3,1-3,36 г / см 3 ), характеризується досконалою спайність і скалкуватий зламом. Вона відрізняється високою в'язкістю і високою міцністю, тому присутність її надає породам підвищені міцність і ударну в'язкість. Найбільш відомі родовища роговий обманки є на Уралі.

Авгіт - магнезіально-залозистий силікат Ca (Mg, Fe, Al) [(Si, АОгОб] відноситься до цепочечную силікатів (піроксснам) і є важливим породообразующим мінералом основних магматичних порід. Зазвичай забарвлений в темно-зелений, чорно-бурий або чорний колір зі скляним блиском. Має твердість 5-6 і щільність 3,2-3,6 г / см 3 , досконалу спайність, підвищені в'язкість і міцність. Присутність авгита в породах повідомляє їм високу опірність механічним впливам. Зустрічається на Уралі.

До групи шаруватих силікатів входять численні представники із шаруватим, лістоватимі або лускатим будовою. Найбільш поширені в породах слюди (особливо біотит і мусковіт), гідрослюд, зокрема вермикуліт, а також тальк, азбест, каолініт, монтморилоніт.

Слюди відносяться до групи алюмосилікатів і як породообразующие компоненти входять до складу магматичних і деяких метаморфічних порід. Фізичні властивості слюд близькі: вони

легко розщеплюються на дуже тонкі, гнучкі і пружні пластинки. Виділяються два різновиди слюд, що відрізняються за хімічним складом: мусковіт і біотит.

Мусковіт - біла слюда KAh (OH) 2 [AlSi 30 io] зустрічається в магматичних і метаморфічних породах. Має перламутровий блиск, досить зроблену спайність в одному напрямку, завдяки чому легко розщеплюється на тонкі і прозорі пружні листочки, невисоку твердість (2-3) і щільність 2,8-3,1 г / см 3 . Мусковіт щодо стійок хімічно і при вивітрюванні зазвичай переходить в розсипи без помітної зміни. Використовується як відмінний електроізоляційний матеріал, а в будівництві - у вигляді слюдяного порошку (Ськарпа), як посипний матеріал при виготовленні покрівельних матеріалів (руберойду), вогнетривких фарб, керамічних виробів і т. П. Досить великі родовища мусковіту є на Кольському півострові, Україні, середньому Уралі, в Східному Сибіру.

Біотит - чорна або бурого кольору залізисто-магнезіальних слюда K (Mg, Бе) з [БізАІОюНОН, Б] г широко поширена в кислих магматичних і метаморфічних породах. Має невелику твердість (2-3), вельми досконалу спайність в одному напрямку, легко розщеплюється на найтонші пружні пластинки. У природі утворює переважно пластинчато-лускаті і зернисті скупчення, є хімічно нестійким мінералом. Родовища буттям відомі на Уралі, в Забайкаллі і ін.

Гідрослюди - слюдоподобние мінерали, що містять значну кількість пов'язаних молекул НДО між шаруватими пакетами, освіченими кремнекислородних тетраедрами в кристалічній решітці, які порівняно легко видаляються при нагріванні. Гідрослюди є результатом вивітрювання мусковіту, буттям і інших мінералів групи слюд і розглядаються як проміжні сполуки між слюдами і глинистими мінералами шаруватої структури. Хімічний склад гидрослюд непостійний, так як змінюється кількісний вміст катіонів, що зв'язують згадані вище шаруваті пакети, і межпакетное води.

Серед цих мінералів найбільше практичне значення має вермикуліт золотистого або коричневого кольору (Mg, Fe 2+ , Ге 3+ ) з (ОН) г [(А1, Si) 4 Oioj • 4НгО. Він має низьку твердість (1-1,5) і щільність (2,4-2,7 г / см 3 ), досконалу спайність і здатний розділятися на тонкі гнучкі непружні пластинки. При прожаренні, в інтервалі температур від 900 до 1100 ° С, його молекулярна вода перетворюється в пар з утворенням внутрішнього тиску, під впливом якого відбувається розшарування шаруватих пакетів і поділ їх на червоподібні стовпчики або нитки з поперечним поділом на найтонші лусочки. Освіта величезної кількості повітряних прошарків в кристалічній решітці супроводжується сильним (в 15-25 разів) збільшенням обсягу спученого вермикуліту і зменшенням його середньої щільності до 0,1-0,3 г / см 3 . Вермикуліт є хорошим теплоізоляційним і звукопоглинальним матеріалом. Великі родовища його знаходяться на Україні, Уралі та Кольському півострові.

До групи вторинних шаруватих силікатів ставляться досить широко поширені в природі тальк, азбест, каолініт і монтморилоніт.

Тальк Mg3 [Si 4 Oio] [OH] 2 утворюється при зміні магнезіальних силікатів і алюмосилікатів природними гарячими розчинами і є породообразующим мінералом талькових сланців. Пофарбований у білий або блідо-зелений колір, має скляний блиск з перламутровим відливом, дуже низьку твердість (менше 1), щільність 2,7-2,8 г / см 3 , вельми досконалу спайність і легко розщеплюється на гладкі непружні пластинки, жирний на дотик. Тальк застосовують в порошкоподібному вигляді в якості наповнювачів у виробництві пластмас, паст, глазурі і кислототривких виробів. Кам'яноподібний тальк використовують для вогнетривкої футеровки. Промислові родовища його відомі на Уралі.

Азбест зустрічається у вигляді декількох різновидів, але найбільше застосування для практичних цілей має хризотил-азбест Mg6 [Si40io] [OH] i8. Для азбесту характерна паралельно-тонковолокниста структура з довжиною волокон, що коливається від десятих часток міліметра до 20-25 мм, іноді до 50-150 мм. Він має зеленувато-жовтий, а в розпушений стані сніжно-білий колір, невисоку твердість (2-3) і здатний розщеплюватися на міцні волокна товщиною менше 0,0001 мм. Відрізняється високою вогнестійкістю і щелочеупорностью, погано проводить теплоту і електрику. Хризотил-азбест утворюється з ультраосновних олівінових, а також карбонатних порід під впливом природних гарячих розчинів. Найціннішим вважається довговолокнистий азбест з довжиною волокон більше 8 мм, який використовується при виробництві вогнетривких тканин, автомобільних гальмівних стрічок, асбесторезінових виробів і ін. Для виготовлення азбестоцементних виробів, теплоізоляційних труб, панелей і т. П. Застосовують азбест з довжиною волокон 2-8 мм . З дрібного азбестового волокна отримують обмазувальну теплоізоляцію, вогнестійкі фарби, штукатурні розчини та ін. Значні родовища азбесту відомі на Україні, Уралі, в Забайкаллі, Саянах і інших районах країни.

Каолініт Ah [Si20s] [OH] 4 є головним мінералом багатьох глинистих порід. Має досконалу спайність, легку расщепляемость на тонкі непружні лусочки, вельми низьку твердість (менше 1) і невисоку щільність - близько 2,6 г / см 3 . У природі він зустрічається у вигляді пухких лускатих або щільних тонкозернистих агрегатів білого кольору з різними відтінками і матовим блиском. Каолініт утворюється переважно шляхом вивітрювання алюмосилікатів (польового шпату, слюди та ін.), Що містяться в породах під впливом води і СО 2 , відрізняється достатньою стабільністю на поверхні землі і, накопичуючись, утворює потужні товщі глинистих порід. Основний споживач каолінових глин - керамічна промисловість. Вони використовуються при виробництві тонкої фарфорової і фаянсової кераміки. Каолінові наповнювачі широко застосовують при виробництві пластмас, емульгаторів, барвників і т. Д. Родовища каолінових глин поширені на Уралі, Україні, в Казахстані, Підмосков'ї і ін.

Монтморилоніт (А1, Mg) 2 (OH) 2 [Si40io] лНгО відрізняється непостійним хімічним складом, який залежить від вмісту води в атмосфері. Утворюється в умовах лужного середовища при розкладанні вулканічного попелу і туфів в морській воді. Має рухливу кристалічну решітку, внаслідок чого набуває здатності до сильного набухання в присутності води і збільшення її розмірів майже в 3 рази, а при нагріванні - до поступового висихання і значної усадки. Монтморилоніт має біле забарвлення різних відтінків, матовий блиск (в сухому стані), досконалу спайність лусочок, непостійну щільність, незначну твердість (менше 1) і жирність на дотик. Він широко поширений на поверхні землі, переважно в районах вивітрювання основних магматичних порід; відрізняється порівняльної стійкістю до хімічного вивітрювання. Будучи складовою частиною глинистих порід, повідомляє їм підвищені набухаемость і адсорбируемого. У чистому вигляді використовується як адсорбент (відбілювач), наповнювач, емульгатор в гумовому, пластмасовому, керамічному та інших виробництвах. Високоякісні родовища монтморіллонітових глин знаходяться на Кавказі, в Криму, Придніпров'я, Закарпатті.

Оксиди є сполуками металів і металлоидов з киснем. Найбільш поширений мінерал цього класу - кварц S 1 O 2 , що зустрічається в трьох головних модифікаціях: а-кварц, тридимит і кристобалит. Основою його кристалічної структури служать кремнекіслородние тетраєдри, які утворюють міцну решітку каркасного типу, характерну для всіх трьох його модифікацій. Освіта кварцу пов'язано як з магматичними процесами в надрах землі, так і випаданням з холодних розчинів на її поверхні. Найбільш вивченим є а-кварц, який називають просто кварцом. Він стійкий при температурі нижче 573 ° С. Трідіміт стійкий в температурному інтервалі 870-1470 ° С, а кристобалит - при температурі нижче 1713 ° С. Властивості цих модифікацій залежать від нещільної упаковки іонів кисню в кремені

кисневих каркасах. При одному і тому ж способі зчеплення кремнекислородних тетраедрів один з одним через їх вершини між тетраедрами з'являються пустотки, які в низькотемпературному кварці мають малими розмірами, а в високотемпературних, більш пухко побудованих трідіміт і Крістобаль, вони крупніше. Тому а-кварц значно щільніше - 2,65 г / см 3 , ніж тридимит (2,30) і кристобалит (2,27), і твердіше (7), ніж останні (відповідно 6 і близько 7). У прямій залежності від будови знаходяться і їх оптичні властивості. Чистий кварц - безбарвний мінерал, але може набувати різного забарвлення залежно від змісту механічних домішок. Відрізняється високою твердістю (7), недосконалою спайність, раковістим зламом. Як породообразующий мінерал кварц входить в магматичні, осадові і метаморфічні породи. Він є хімічно стійким мінералом і накопичується у вигляді потужних осадових відкладень (піску, пісковика). Повсюдне поширення кварцу сприяє широкому використанню його в скляної промисловості, а у вигляді природного каменю (кварцитів, пісковиків) - в якості стійкого облицювального і конструкційного будівельного матеріалу. Кварц є хорошим абразивом, а також використовується як сировина для виробництва оптичних приладів, хімічного посуду і т. П. Численні родовища кварцу відомі на Уралі, Памірі, в Забайкаллі, на Україні, Кавказі.

У природі часто зустрічається гідратований аморфний кремнезем - опал БЮг'лНгО. Вміст води в ньому коливається від 1 до 5% і іноді вище. У чистому вигляді він безбарвний, але при наявності домішок набуває різні відтінки, має скляний, а у пористих різновидів матовий блиск, низьку щільність (1,9-2,5 г / см 3 ) і середню твердість (5-5,5). Порівняно легко розчиняється в лугах, наприклад, в КОН, але в кислотах не розкладається. Умови освіти його різні: осадження з гарячих розчинів і гейзерів (крем'янисті туфи), вивітрювання ультраосновних магматичних порід, коагуляція і седиментация золів кремнезему в морських басейнах, накопичення продуктів життєдіяльності морських організмів і т. Д. Осадових опалсодержащімі породами є трепели, діатоміти, опоки, мергелі і ін., що застосовуються як гідравлічні добавки при виробництві цементу, абразивів, а також для виготовлення керамічних виробів і легких блокових матеріалів. Вони широко поширені на Уралі, в Казахстані, Середньому Поволжі, Закавказзі і ін.

З групи оксидів і гідроксидів заліза практичне значення мають гематит і лимонит. Перший - кристалічний, другий - аморфний мінерали. Гематит (червоний залізняк) а-ЕегОз містить до 65-70% заліза, а в суцільних гематитових рудах зазвичай коливається від 50 до 65%. Кристалічний гематит залізо-чорного, а аморфний - яскраво-червоного кольору, має напівметалевий блиск, високі твердість (5,5-6), щільність (5-5,2 г / см 2 ), нерівний налом; крихкий. Від інших залізистих мінералів відрізняється по вишнево-червоної межі, залишеної на Неглазурована порцеляні. Гематит - хімічно стійкий мінерал, утворює потужні родовища залізної руди, яка є цінною сировиною для отримання чавуну і сталі. Порошкоподібний гематит використовують в якості фарб при оздоблювальних будівельних роботах (входить до складу червоного пігменту або є компонентом олійних і водних фарб). Відомі родовища гематитових руд знаходяться в районі Курської магнітної аномалії, на Північному Уралі, на Україні.

Лимон (бурий залізняк) HFeCb • aq являє собою складний мінерал, що включає гідроксиди заліза і глинисті мінерали з різними домішками, що містить від 10 до 14% води. Складний і змінний склад лимонита відбивається на його властивостях, у тому числі на твердості (змінюється в межах 1-4), широкому інтервалі відтінків його бурого забарвлення і щільності (3,3-4 г / см 3 ). Утворюється лимонит переважно на поверхні землі при окисленні і розкладанні залізовмісних мінералів. Великі скупчення лимонита є родовищами бурих железняков - сировини для виробництва чавуну і сталі. Їх розробка економічна при утриманні в цих рудах до 35-40% заліза. Великі родовища їх відомі на Керченському півострові, Уралі.

Практичне значення має оксид титану, іменований рутилом ТЮГ. Існує три відомих модифікації цього з'єднання, але рутил серед них є найбільш стійкою як при високій, так і при низьких температурах. Хімічний склад - Ті 69%, часто присутні Fe у вигляді окису або закису, іноді Zn (до 1,5%) та ін. Рутил, багатий домішкою Fe, у вигляді твердого розчину називається НІГРІН (FeTiCb). Колір рутила зазвичай темно-жовтий, бурий, червоний; у НІГРІН - чорний. Блиск алмазний до металоподібну, твердість 6, крихкий, розщеплення - досконала. Зустрічається в ряді родовищ Ільменських гір (Південний Урал), в Казахстані, а в розсипах - на Середньому Уралі. З іноземних слід зазначити родовища рутилу в Північній Кароліні (США), а у вигляді НІГРІН - в Норвегії. Вживають для виплавки ферротитана (для стійких при ударах сортів сталі), в кераміці як бурою фарби, для виготовлення титанового білила і ін.

До групи оксидів також відноситься природний мінерал, значення якого важко переоцінити як в будівельному матеріалознавстві, так і в житті на Землі. Цей продукт окислення водню 2Нг + Ог = 2НгО виходить у вигляді льоду, води і водяної пари.

Лід - Н 2 О, містить водню 11,2 і кисню 88,8%. Іноді містить газоподібні і тверді механічні домішки. Є водою в твердому кристалічному стані. Можливе утворення кристалів льоду десублімаціонним шляхом, т. Е. Безпосередньо з пароподібного стану.

У природі цей оксид - дуже поширений мінерал, має молекулярної кристалічною структурою, хоча певну роль відіграють і водневі зв'язки, що утворюються між молекулами Н 2 О. Вони починають розриватися при підвищенні температури льоду до 0 ° С і вище, повністю зникають при високій температурі води. У великих скупченнях лід має блакитний відтінок, але безбарвний і зі скляним блиском, прозорий. Спайність відсутня, твердість 1,5, крихкий. Кристали льоду мають різне обрис, що залежить від умов його освіти - в атмосфері (сніжинки), в крижаних печерах, в умовах вічної мерзлоти і ін., Але в цілому його щільність нижче води (0,917) в зв'язку з низьким координаційним числом кожної молекули НДО , рівним 4 (ажурна структура льоду). Добре ограновані кристали льоду зустрічаються рідко. Має досить високою міцністю, що дозволяє використовувати товстий крижаний шар в зимовий час як порівняно надійний "будівельний матеріал", наприклад, при зведенні тимчасових наметових містечок, дорожньо-мостових переходів і т. П.

Вода за хімічним складом і походженням поділяється на морську (з розчиненими в ній солями), прісну річкову і озерну, поверхневу дощову і грунтову, підземну, мінеральних джерел (вуглекислу, сірководневу, железистую і ін.).

Критична температура для чистої води дорівнює 374 ° С, критичний тиск 21,7 МПа. Щільність чистої води дорівнює 1 при 4 ° С, вона знижується зі зменшенням температури (цим вона відрізняється від інших рідин, у яких вона зростає відповідно до лінійного рівняння Д. І. Менделєєва: dt = <afo (l - kt), де di - щільність при f ° C; do - щільність при 0 ° С; до - модуль термічного розширення рідини.

Вода служить не тільки середовищем (наприклад, розчинюючої) для багатьох фізичних явищ, а й найважливішим агентом хімічних процесів в земній корі. Електролітична дисоціація води на катіони Н , + і аніони (ОН) '- і гідроліз пов'язані з утворенням гідроксиду, основних і кислих солей. Вона сприяє формуванню гидрогелей в природі, протіканню метаморфічних процесів і, зокрема, перекристалізації мінеральних речовин. У них вона утримується як конституційна, міцно пов'язана з кристалічною решіткою мінералу у вигляді іонів ОН - і Н + (наприклад, тальку, серпентину, брусита, каолініту і ін.), А також у вигляді нестійкого іона оксония НЗО | + , від якого легко отщепляется НДО з виділенням Н. Вода утримується ще й як кристаллизационная у вигляді молекул ШО, що є наслідком гідратації з утворенням кристалогідратів (наприклад, Na 2 SCh • 7 Н 2 О, CaSC> 4 • 2НгО і ін.). До цього ж типу відноситься і цеолітів вода, що розташовується в пустотах кристалів мінералів групи цеолітів - водних алюмосилікатів, головним чином Са і Na (наприклад, шабазіт, нітроліт і ін.). Утримується вода і як адсорбційна, молекули якої фізико-хімічно і механічно притягуються багатьма мінералами під впливом поверхневої енергії. Така вода типова для силікатів з шаруватою структурою (наприклад, в Монтморилоніт і ін.).

Вода має величезне значення і в органічному світі, зокрема, в виростанні лісів як потенційного виду будівельної деревини, в розвитку рослин. Нарешті, вода служить невід'ємним компонентом при виробництві будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Водяна пара - газоподібний стан Н 2 О. В природі і, зокрема, в мінералах і гірських породах зустрічається значно рідше. Тому водяна пара розглядається у відповідних розділах цієї книги тільки в зв'язку з певними технологіями, наприклад, виробництвом автоклавних силікатних матеріалів і виробів.

Карбонати є солями вугільної кислоти і широко поширені як породообразующие компоненти осадових і метаморфічних порід. Основою кристалічної структури карбонатів служать плоскі комплексні аніони (СОЗ) 2 -, які, зв'язуючись один з одним, утворюють ланцюгові, шаруваті або каркасні структури. У кристалічних решітках вони беруть участь як самостійні елементи, які не розпадаються навіть при розчиненні мінералу. Найбільш поширеними є кальцит, магнезит, доломіт, натрію.

Кальцит СаСОз - кристалічний мінерал ромбоедричної, пластинчастої форми, безбарвний або молочно-бурого забарвлення з різними відтінками, скляним блиском, низькими твердістю (3) і щільністю (2,6-2,8 г / см 3 ), зробленою спайністю за трьома напрямками і рівним зламом. Кальцит слабо розчинний у воді, але під впливом вуглекислоти, часто міститься у воді (наприклад, грунтовий), переходить в бікарбонат кальцію: СаСОз + Н 2 О + СО 2 = Са (НСОз) г, який розчиняється у воді приблизно в 100 разів легше , ніж сам кальцит. Тому породи, що містять кальцит, швидко руйнуються при контакті з водою, насиченою вуглекислотою.

Кальцит легко розпізнається по реакції "скипання" під дією розведеної соляної кислоти, яка викликається бурхливим виділенням вуглекислого газу і служить простим прийомом розпізнавання карбонатних порід. У природі кальцит зустрічається у вигляді кристалічних агрегатів, друз (зростків), напливів, але переважно поширений у вигляді потужних відкладень вапняків, мармуру та ін. Умови його освіти різноманітні і, в основному, пов'язані з накопиченням вапнякових мулів - продуктів життєдіяльності рослинних і тваринних організмів в морських басейнах (органогенні вапняки), а також з відкладенням, під впливом коагуляції, колоїдних розчинів вуглекислого вапна у вигляді тонких плівок на поверхні частинок, зважених в рухомій воді (хімічні вапняки). Родовища різних видів кальциту, а також різноманітних карбонатних порід - крейди, мармурів - зустрічаються в Карелії, на Україні, в Донбасі, на Уралі та ін. Вони є цінним матеріалом для виробів, сировиною для виробництва цементу, вапна, вогнетривів і т. П.

Магнезит (MgC03) за структурою і формою кристалів схожий з кальцитом, але поширений в природі значно рідше. Пофарбований у білий колір з жовтуватим або сіруватим відтінком, має скляний блиск, середню твердість (4-4,5) і невисоку щільність (2,9-3,0 г / см 3 ), а також досконалу спайність по ромбоедрі. На відміну від кальциту при впливі НС1 реакції скипання не може виявити. Утворюється магнезит переважно під впливом гарячих магнезіальних розчинів на вапняк і при вивітрюванні магнезіальних силікатів (серпентінітов). У природі зустрічається у вигляді суцільних мармуровидних (кристалічних) і щільних (аморфних) мас, які мають велике промислове значення, особливо при виробництві вогнетривких виробів (див. Гл. 17).

Доломіт [Са, Mg (CC> 3) 2] в структурному відношенні схожий з кальцитом. Пофарбований у білий або сірувато-білий колір зі скляним блиском, має середню твердість (3,5-4), невисоку щільність (1,8-2,9 г / см 3 ), досконалу спайність і ступінчастий злам. Скипає з холодної НС1 тільки в порошку. Доломіт широко поширений в природі як породообразующий компонент доломіту і доломітізірованних вапняків.

Натрію ЙагСОз • IOH 2 O - безбарвний або забарвлений в білий колір мінерал зі скляним блиском, невеликими твердістю (1-1,5), щільністю (1,4-1,5 г / см 3 ) і недосконалою спайність. СНС1 виявляє бурхливу реакцію закипання. При нагріванні розчиняється у власній кристаллизационной воді. Він утворюється в деяких соляних озерах, багатих натрієм, при надлишку розчиненого СОГ. Застосовується при виробництві скла, в металургії і ін. Зазвичай зустрічається у вигляді щільних і зернистих мас. Содові родовища поширені в Східному Сибіру, Казахстані та ін.

Сульфати - солі сірчаної кислоти, що утворюються в поверхневих шарах землі. Серед представників цього класу є мало

з'єднань, досить стійких в земній корі. Основою структури сульфатів є тетраедричних аніонні групи (SOi) 2 , які, зв'язуючись один з одним за допомогою різних катіонів, молекул води і ін., Утворюють різноманітні острівні, каркасні, ланцюгові, шаруваті структури. Сульфати характеризуються невисокою твердістю і міцністю, високою спайностью, світлим забарвленням. Для будівельних цілей використовують ангідрит, гіпс, барит і мирабилит.

Ангідрит CaSC> 4 зустрічається у вигляді суцільних зернистих мас і є кристалічним мінералом блакитнувато-білого кольору зі скляним блиском, має невисоку твердість (3-3,5), щільність близько 3 г / см 3 , досконалу спайність і лістоватимі злам. Легко приєднує в природних умовах воду, переходячи в гіпс з сильним (до 30%) збільшенням обсягу. Є породообразующим компонентом в породах однойменної назви (див. 8.3).

Гіпс CaSC> 4 2 Н 2 О - кристалічний мінерал, зазвичай слагающий в природі величезні мармуроподібні скупчення гіпсових порід. Він має білий колір з різноманітними відтінками, малу твердість (1,5-2), низьку щільність (2,3 г / см 3 ), досить зроблену спайність і лістоватимі злам, відрізняється крихкістю. Розчинний у воді (одна частина гіпсу на дві частини води) з максимумом розчинності при температурі 37-38 ° С і зниженням її до мінімуму при 107 ° С і вище, що пояснюється утворенням нового з'єднання - полугидрата CaSC> 4 • 0,5НгО. У генетичному відношенні гіпс належить до типових хімічних опадів і утворюється в висихають ділянках моря. Разом з ангідритом його використовують для отримання в'яжучих речовин (див. 9.1.3).

Барит (важкий шпат) BaSC> 4 - дуже поширений після ангідриту мінерал з таблітчатой ​​формою кристалів. Він утворює грубозернисті щільні маси білого і сірого кольору зі скляним блиском, невисокою твердістю (2,5-3,5), зробленою спайністю, нерівним зламом і характерною для нього крихкістю. Відрізняється слабким пропущенням активних променів (у-промені, рентгенівські і ін.), Внаслідок чого використовується для виробництва спеціальних бетонів. Утворюється випаданням з гарячих водних розчинів, а також осадженням у вигляді нерозчинного сульфату барію в прибережних ділянках моря. Барит застосовують для виробництва спеціальних стекол, керамічних емалей, пластмас, високосортних фарб. Родовища його знаходяться на Уралі, в Грузії, Туркменії, Казахстані, на Алтаї.

Мірабіліт Na2S04 • IOH 2 O містить понад 55% кристалізаційної води, з якою пов'язані багато його властивості. Він утворює безбарвні і прозорі тендітні кристали малої твердості (1,5-2) і низької щільності (1,48 г / см 3 ) з досконалою спайність.

Легко розчиняється у воді, але також легко її віддає в умовах сухого середовища, перетворюючись в безводний білий порошок. Є мінералом хімічного генезису (затока Кара-Богаз-Гол). При температурі 32 ° С розчиняється у власній кристаллизационной воді, а при взаємодії з НС1 не може виявити реакції "скипання", чим і відрізняється від схожої на нього соди. Використовується в скляній, хімічної промисловості (сода, фарби та ін.). Промисловими родовищами є Кара-Богаз-Гол (Каспій), озера Північно-Східного Казахстану, Північний Кавказ, Крим.

Сульфіди є сполуками сірки з іншими елементами, в тому числі з залізом. Кристалічна решітка їх побудована іонами сірки, в проміжках між якими розташовуються атоми або іони металів з іонним або ковалентним зв'язком. Серед сульфідів слід зазначити пірит FeS 2 , зустрічається у вигляді добре освічених кристалів і великих зернистих скупчень - колчеданових покладів, а також вкраплень в численних породах і т. Д. Колір піриту в свіжому зламі золотисто-жовтий, блиск металевий; відрізняється високою твердістю (6-6,5), середньою щільністю (4,9-5,2 г / см 3 ) і недосконалою спайність. Він є найпоширенішим сульфідом в земній корі і в той же час хімічно нестійким з'єднанням на її поверхні, де легко гідролізується з утворенням гідроксидів і сірчаної кислоти, яка сприяє швидкому руйнуванню порід. Піритові руди служать сировиною для отримання сірчаної кислоти, причому побічний продукт цього виробництва, піритові недогарки, використовують в технології виробництва портландцементу, а також для отримання фарб або як залізної руди.

До представників цього ж класу відноситься кіновар HgS, крихкий мінерал червоного кольору з сильним напівметалевим блиском, невисокою твердістю (2-2,5). Вона має високу щільність (8,09-8,2 г / см 3 ), не проводить електрики. Кіновар утворюється виключно як низькотемпературний гідротермальний мінерал, пов'язаний з молодими вулканічними районами, де вона зустрічається у вигляді пластових покладів і жив; на поверхні землі стійка і тому накопичується в розсипах. Застосовується для приготування фарб, але головним чином служить сировиною для отримання ртуті. Родовища кіноварі відомі в Донбасі, на Кавказі, в Середній Азії і Західному Сибіру.

Самородні мінерали мають практичне значення у вигляді шунгита, що представляє собою аморфний вуглець С, що утворився в результаті природного коксування вугілля при метаморфізмі осадових порід, що містять пропластки органічних оегатков, в тому числі кам'яного вугілля, бітуму та ін. Від графіту відрізняється великими твердістю (3-4 ), щільністю і раковістим зламом. Шунгіт інертний по відношенню до агресивних середовищ, електро- і

теплопроводен; здатний спучуватися при температурі випалу 10 ° С, утворюючи легке пористе речовина. Входить до складу шунгітових сланців.

  • [1] Глава в основному підготовлена доц., Канд. техн. наук Рибьевой Т.Г.
  • [2] Далі дійсна густина позначається як щільність.
  • [3] Тут і далі характеристика твердості наводиться за шкалою Мооса.
 
<<   ЗМІСТ   >>