Природные каменные материалы. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

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. metamorpho – превращать).

Магматические горные породы образовались в результате 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 (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 % раствором соляной кислоты. При этом из средней пробы выбирают крупный кусок, 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, зеленые, 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 ее свежесть и 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 составляющих ее главных минералов, по величине их включений и равномерности распределения, а также по виду цементирующего вещества и его расположению.

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, называемым 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 с цементным камнем.

Присутствие карбонатов в образце горной породы определяют действием на него 10 % 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).

Таблица 1