Природные каменные материалы

Природными каменными строительными материалами называют материалы, получаемые из необработанных горных пород, или из пород, подвергшихся такой механической обработке, как расколка, распиловка, теска, шлифовка, полировка, дробление с последующим рассевом и т.д., но без предварительной тепловой или химической обработки.

Горные породы представляют собой природные скопления минеральных масс, состоящие из одного (мономинеральные породы) или нескольких (полиминеральные) минералов. Минерал (от лат. minera – руда) – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образовавшееся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре. Каждый минерал обладает определенным химическим составом и характерными физико-механическими свойствами.

По происхождению горные породы разделяют на три группы: изверженные или магматические (первичные), осадочные (вторичные) и метаморфические (от греч. metaforfo – превращать).

Магматические горные породы образовались в результат остывания огненно-жидкой массы – магмы, которая разрывала земную кору и разливалась на ее поверхности. В зависимости от условий остывания магмы изверженные горные породы делят на глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные).

Глубинные горные породы (граниты, сиениты, диориты и др.) образовались в результате медленного остывания магмы в толще земной коры под значительным давлением верхних слоев. В таких условиях горные породы приобрели равномерную кристаллическую структуру в результате того, что крупные зерна различных минералов прочно срослись между собой.

Излившиеся горные породы (базальты, андезиты, диабазы и др.) образовались при быстром остывании магмы на поверхности земли. В таких условиях не происходила полная кристаллизация остывающей магмы. В зависимости от условий образования излившиеся горные породы имеют мелкозернистое, скрытокристаллическое или аморфное строение. Если же из вязкой магмы медленно выделялись газообразные продукты, образовывалась пористая или пемзообразная структура. Кроме того, к изверженным горным породам относятся обломочные породы, которые образовались из мельчайших частиц раздробленной лавы, выброшенной на поверхность земли при извержении вулканов. Эти отложения остались в рыхлом состоянии (вулканический пепел, пемза) либо при наличии природных цементирующих веществ и под давлением вышележащих слоев превратились в плотные цементированные породы (вулканический туф).

Осадочные горные породы образовались в результате разрушения (выветривания) изверженных (первичных) и других горных пород под воздействием внешних условий или в результате осаждения веществ из какой-либо среды. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на обломочные породы (механические отложения), глинистые, а также хемо- и органогенные.

Обломочные породы (механические отложения) – грубые продукты механического разрушения изверженных и других горных пород под действием резкой смены температур, воздействия воды и ветра (брекчии, конгломераты, пески и др.). Они представляют собой рыхлую смесь, состоящую из отдельных зерен разрушившейся первичной горной породы; в ряде случаев рыхлые смеси подвергались цементации различными природными веществами, образовав при этом сплошные горные породы.

Глинистые породы – дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедших в новые минеральные виды.

Химические осадки – хемогенные горные породы, образовавшиеся при осаждении из водных растворов минеральных веществ с последующим их уплотнением и цементацией (доломит, магнезит и др.).

Органогенные породы образовались в результате отложения остатков живых (зоогенные) и растительных (фитогенные) организмов, скелеты и панцири которых содержали минеральные вещества. Такие отложения, как правило подвергались уплотнению и цементации (известняки, мел и др.).

Метаморфические, или видоизмененные, горные породы образовались в толще земной коры в результате значительного видоизменения осадочных или магматических горных пород под воздействием высокой температуры, высокого давления и других факторов. В этих условиях происходила перекристаллизация минералов без их плавления, способствовавшая повышению плотности образовавшихся пород по сравнению с исходными. Как правило, метаморфические горные породы имеют сланцеватое строение, но иногда могут сохранять структуру первичных пород.

Для природных каменных материалов большое значение имеет их петрографическая характеристика, которая дает возможность не только установить вид горной породы и составить предварительные суждения о ее качестве, но и дополняет результаты лабораторных испытаний такими важными данными, как цвет, степень однородности и выветрелости породы, структура, сложение, характеристика рисунка, характер раскола, свойства поверхности и др.

Для составления петрографической характеристики обычно пользуются молотком, стальной иглой, лупой, шкалой твердости, линейкой с миллиметровыми делениями и 10%-ным раствором соляной кислоты. При этом из средней пробы выбирают крупный кусок породы, который наиболее полно отражает все характерные особенности данной породы. Главным образом обращают внимание на следующие характеристики.

Размер и форма кусков очень разнообразны. Отобранный кусок породы измеряют по трем линейным размерам и таким образом определяют его форму - она может быть правильной или неправильной, кубовидной, плитовидной, параллелепипедной, ромбической, шаровидной и др.

Формы образцов породы помогают определить возможность получения того или иного вида каменного материала.

Цвет горных пород зависит от их минералогического состава, примесей и степени выветрелости. Обычно горные породы делят по цвету на шесть групп: белые (почти бесцветные), от желтого до красного, зеленого, от голубого до фиолетового, от темно-серого до черного, с многоцветной окраской (пестрые).

Белый цвет обычно имеют известняки и гипсы; наличие в них глины и примесей придает породе желтые и бурые оттенки. Граниты и сиениты обычно характеризуются серым или красным цветом окраски; более темные оттенки этих цветов указывают на присутствие в породе слюды-биотита. При описании цвета отмечают наличие цветных пятен, жилок и др.

Блеск отдельных минералов, составляющих горную породу, характеризует свежесть породы и ее рисунок. Условно различают блеск яркий (стеклянный), перламутровый (отливает радужными цветами), жирный, тусклый (мерцающий) и матовый (без блеска). Стеклянный блеск обычно присущ кварцу, перламутровый - слюде, жирный - тальку. Блеклый тусклый вид минералов с ржавыми тонами свидетельствует о большой выветрелости породы.

Цвет породы, его однородность и блеск дают возможность установить виды минералов, составляющих горную породу.

Минералогический состав породы определяют по внешним признакам главнейших минералов, составляющих горную породу, по величине их включений и равномерности распределения, а также по виду цементирующего вещества и его расположения.

Структуру породы определяют осмотром свежего излома; она может быть кристаллической плотной и зернистой, с различной крупностью кристаллов (мелко-, средне-, крупно- и грубозернистые) - у гранита, сиенита, флюорита и др.; порфированная - у порфиров; стекловатая - у обсидианов; оолитовая - у известняков, зернистая - у песчаников.

Текстуру (сложение) породы и ее однородность определяют также по свежему излому породы. Она может быть плотной - сланцеватого, чешуйчатого и волокнистого сложения или пористой - ячеистого, дырчатого и землистого сложения, с мелкими или крупными порами. Одновременно определяют наличие трещиноватости, размер и направление трещин, а также наличие в породе различных включений.

Спайность - это свойство характеризует способность некоторых кристаллических минералов при ударе раскалываться по определенным гладким плоскостям, последние называются плоскостями спайности.

Различные минералы обладают неодинаковой спайностью: весьма совершенная спайность - минералы, легко расщепляются (например, слюда расслаивается на тонкие листочки в одном направлении); совершенная спайность - минералы раскалываются по определенным плоскостям, образуя ровные и блестящие поверхности (например, кальцит обладает спайностью в трех направлениях, а полевые шпаты - в двух); несовершенная спайность выражена совсем слабо (например, апатит); спайность отсутствует - минерал раскалывается по неопределенным направлениям и дает неровные поверхности излома (например, кварц). Аморфные материалы не имеют спайности.

Спайность снижает прочность горной породы и затрудняет механическую обработку природных каменных материалов.

При раскалывании куска горной породы молотком обращают внимание на звук, получающийся при ударе; ясный, глухой или дребезжащий звук дает представление о плотности породы и наличии скрытой трещиноватости.

Поверхность раскола может быть ровной, неровной, волнистой, рваной, угловатой, раковистой, шарообразной. Кроме того, надо указать характер раскола — гладкий, волокнистый, шероховатый, землистый и др.

Ребра отдельности делятся на тупые, острые, режущие и др. Шероховатость плоскости раскола и характер ребер являются существенными показателями свойств изделий из горной породы, определяющими сложность ее обработки и сцепление ее с цементным камнем.

Присутствие карбонатов в образце горной породы определяют действием на него 10%-ным раствором соляной кислоты, которая вызывает "вскипание" на поверхности образца породы, содержащей карбонаты.

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Это свойство имеет важное значение при механической обработке каменных материалов.

Твердость однородных каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается (табл. 1).

Показатель твердости	Наименование материала	Характеристика твердости
	Тальк, мел	Легко чертится ногтем
	Каменная соль, гипс	Ноготь оставляет черту
	Кальцит, ангидрид	Легко чертится стальным ножом
	Плавиковый шпат	Чертится стальным ножом под небольшим давлением
	Апатит	Чертится стальным ножом при сильном нажиме, стекло не чертит
	Ортоклаз (полевой шпат)	Слегка царапает стекло, стальной нож черты не оставляет
	Кварц Топаз Корунд Алмаз	Легко чертят стекло, стальной нож черты на них не оставляет

Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость соответствует 4,5.

Чтобы иметь достоверные данные о твердости камня, необходимо испытать не менее трех отдельных образцов, сделав для каждого образца по три определения, как указано выше. По петрографическим характеристикам образца горной породы и данным табл. 2 можно определить минералогический состав исследуемой горной породы, а затем по содержанию минералов, по их цвету, структуре и спайности можно установить вид горной породы и по табл. 3 - ее свойства.

Примеры описания внешних признаков и петрографической характеристики образцов горных пород:

А. Образец неправильной формы, близкой к параллелепипедной, размером 120´180´270 мм. Окраска светло-серая. Порода из белого ортоклаза со стеклянным блеском, мусковита, кварца. Кварц и мусковит равномерно распределены в количестве примерно по 20% каждого. Порода плотная, среднекристаллического строения. Раскол близкий к правильному, средней шероховатости, ребра острые. По петрографическим внешним признакам исследуемая горная порода - гранит.

Б. Образец кубовидной формы размером 160´170´190 мм серой равномерной окраски. Порода однородная, плотная. Твердость 5. Раскол правильный со слабошеховатой поверхностью, ребра острые. Признаки выветривания не обнаружены. На поверхности образца капля раствора соляной кислоты вызвала "вскипание". По петрографическим внешним признакам исследуемая горная порода - известняк.

Наименование минерала	Структура	Твердость	Спайность	Цвет	Истинная плотность, г/см³	Другие характерные признаки	Условия нахождения в природе
Группа I. Минералы с твердостью 1-3
Каолинит	Аморфная зернистая		-	Белый, желтоватый	2,6	Излом землистый. Материал легко рассыпается, жирный на ощупь	В чистом виде
Гипс	Кристаллическая, зернистая; бывает пластинчатой и волокнистой	1,5-2	По одному направлению. В зернистых волокнистых массах не видна	Белый, желтоватый, розовый	2,3	Прозрачные кристаллы. Материал иногда волокнистый, хрупкий	То же
Мусковит	Кристаллическая, листовая	1,5-2,5	Отчетлива по одному наравлению	Серебристый, белый, светло-желтый	2,8	Расщепляется на тончайшие прозрачные листочки большой упругости	В граните, сиените, гнейсе, слюдяных сланцах
Биотит	Тоже	2-3	Тоже	Черный, бурый, темно-зеленый	2,8	Расщепляется на тонкие неломкие листочки	То же
Группа II. Минералы с твердостью 3-4
Кальцит	Кристаллическая и зернисто-кристаллическая		Отчетлива в трех направлениях	Белый, серый, желтый	2,7	Прозрачен. При ударе распадается на ромбические кристаллы. Вскипает в холодном растворе соляной кислоты	В известняках, мраморе и других карбонатных породах
Доломит	Кристаллическая	3-4	Отчетливая	Белый, серый	2,8	В растворе соляной кислоты вскипает только в порошке при подогреве	Образует породу того же названия; в известняках
Группа III. Минералы с твердостью 5-6
Авгит	Кристаллическая	5-6	Есть	Черный и темно-зеленый	3-4	Просвечивается. Блеск стеклянный	Составная часть магматических пород
Роговая обманка	Тоже	5–6	Есть более совершенная, чем у авгита	Черный и зелено-бурый	3,1	Отчетливая спайность в одном направлении	То же
Группа IV. Минералы с твердостью 6-7
Ортоклаз	Кристаллическая		Отчетливая в двух направлениях	Белый, серый, розовый, красный	2,5	На плоскостях спайности стеклянный блеск	Составная часть гранитов, сиенитов, порфитов, гнейсов и др.
Анортит	Тоже		Совершенная по двум направлениям	Белый, желтоватый	3,7	На плоскостях спайности перламутровый блеск	Составная часть изверженных горных пород– габбро, базальт
Оливин	Тоже		Незаметна	Зеленый, желтый, бурый	3,3	Блеск стеклянный, излом раковистый	Габбро, лабрадорит
Кварц	Тоже		Нет	Бесцветный, белый, серый, черный, фиолетовый	2,6	Излом раковистый, острый	Составная часть гранитов, гнейсов, песков, песчаника и др.