Лекция 8 ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Природные строительные материалы, получаемые в результате относительно несложной механической обработки монолитных горных пород с сохранением их физико-механических и технологических свойств, используют в виде плит, блоков, бортовых и облицовочных камней, дорожной брусчатки, бутового камня, щебня, дробленого песка и т. д. В огромных количествах используют также естественные рыхлые породы: валуны, гравий, песок, глину и др. Кроме того, горные породы являются важнейшими сырьевыми продуктами при получении искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.), для чего их подвергают сложным видам механической и химической переработки.

Широкое использование природного сырья связано с благоприятными физико-химическими свойствами многочисленных пород. Уже в ранний период своего существования человек обнаружил на поверхности земли и в се недрах множество природных материалов, которые полностью удовлетворяли его сравнительно ограниченные потребности. На последующих стадиях развития человеческого общества появляются повышенные требования к качеству строительного камня и одновременно усложняются способы обработки и переработки природного сырья для получения материалов с иными качествами и свойствами, например, превращение обычной глины в камень при ее обжиге с получением стабильных свойств готового продукта.

Горными породами называются простые и сложные природные минеральные агрегаты, которые занимают значительные участки земной коры и отличаются большим или меньшим постоянством химического и минерального состава, структуры, а также определенными условиями залегания. Они слагают поверхностные слои земной коры мощностью 15—60 км и образуют естественные скопления ценного минерального сырья. В настоящее время в нашей стране ежегодно расходуется около 2 млрд, т горных пород на нужды промышленности строительных материалов.

ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

Для производства строительных материалов и изделий горные породы добывают из поверхностных слоев земной коры, в состав которой входят все химические элементы: кислород — до 47%, кремний — до 26%; алюминий и железо составляют соответственно 8 и 5%, суммарное количество кальция, магния, натрия и калия не превышает 11% общей массы горных пород. Остальные элементы составляют приблизительно 3% состава земной коры. В чистом виде химические элементы встречаются в ней редко; подавляющее большинство их находится в виде соединений с однородным химическим составом, структурой и свойствами, которые называются минералами. Содержащиеся в составе горных пород минералы разделяют на породообразующие и второстепенные. Первые, примерно 40—50 минералов, участвуют в образовании горных пород и обусловливают их свойства; вторые встречаются в них только в виде примесей. Среди породообразующих минералов выделяются первичные и вторичные. Первичные возникли при формировании пород, вторичные — позже, как продукты видоизменения первичных минералов.

Природные минералы находятся в основном в твердом состоянии и имеют преимущественно кристаллическое строение с закономерным расположением частиц (ионов, атомов, молекул) в пространстве. Реже они встречаются в виде аморфных веществ с беспорядочным пространственным расположением частиц. Каждый минерал возникает как химическое соединение в природе в условиях, характеризующихся определенным сравнительно узким значением температуры, давления и концентраций химических компонентов в системе. Он сохраняется неизменным до тех пор, пока не происходит заметного изменения этих условий. И тогда минерал может быть подвергнут изменению, разрушению или замещению в горных породах другими минералами, т. е. природными химическими соединениями, устойчивыми в новых условиях. Впрочем, среди минералов хорошо известны и те немногие их разновидности, которые способны сохранять свою устойчивость в достаточно широких пределах изменения внешних условий, например, алмаз, графит, корунд, рутил и др.

Твердые минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на технические свойства пород: твердость, спайность, излом, блеск, окраска, плотность. Эти свойства зависят от строения и прочности связей в кристаллической решетке.

Твердость характеризует поверхностную энергию минерала. Она оценивается по шкале Мооса, которая состоит из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз корунд и алмаз. Определяют твердость пробой на царапанье; выражается она порядковым числом соответствующего эталона в шкале, оставляющего царапину на испытуемом образце. Более точную оценку твердости получают специальными склерометрическими приборами. Показатель твердости материала имеет большое практическое значение и косвенно позволяет судить о механических свойствах природного камня.

Спайность проявляется в виде способности минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием гладких зеркальных поверхностей — плоскостей спайности. Одни минералы легко расщепляются на тончайшие пластинки в одном или нескольких направлениях, у других она проявляется плохо или совсем отсутствует. Спайность служит важным диагностическим признаком минералов и вместе с показателями твердости способствует предварительной оценке механических свойств природных материалов.

Излом является характеристикой неровной поверхности раскола минерала, прошедшего не по направлениям спайности. Среди разнообразных видов излома выделяются ровный, ступенчатый, неровный, раковистый, занозистый, землистый. Изломы позволяют не только диагностировать, но и оценивать свойства минералов.

Окраска — важный диагностический признак минералов, так как для большинства их она сохраняется постоянной и вместе с тем имеет определяющее значение для декоративной характеристики природного камня. Окраска обусловлена присутствием красящих элементов (хромофор) в составе минерала, в частности Cr, Mn, Fe и др., или посторонних тонко окрашенных примесей, иногда газовых пузырьков. Возможно также появление ложной окраски, вызываемой интерференцией световых лучей при их отражении от внутренних плоскостей трещин спайности.

Блеск возникает в результате отражения световых лучей от поверхности минерала и имеет важное диагностическое значение. Одновременно он является характеристикой декоративных или ювелирных достоинств минерала. Блеск появляется под влиянием двух факторов: показателя преломления светового луча при прохождении в кристаллической среде минерала и коэффициента его поглощения данной средой. При наибольшем показателе преломления у прозрачных минералов возникает очень сильный алмазный (неметаллический) блеск. Вещества с небольшим показателем преломления (например, сернистые минералы) обычно непрозрачны и характеризуются металлическим блеском. В зависимости от величины показателя преломления и характера отражающей поверхности минералы приобретают стеклянный, перламутровый, жирный, шелковистый, матовый и другие виды блеска, которые учитываются при отборе минерального сырья для практических целей. В природе преобладают минералы со стеклянным блеском, имеющие средние показатели преломления 1,3—1,9.

Плотность (истинная) ^[2] колеблется у минералов от значений, меньших единицы (озокерит), до 20 и выше (осмистый иридий). Она зависит от химического состава и структуры, атомной массы элементов, их ионных радиусов и валентности. Числовые значения плотности помимо диагностических характеристик имеют практическую ценность при оценке качества минерального сырья и используются при его обогащении. Наибольшее распространение в природе имеют минералы с малой (от 2 до 4 г/см³) плотностью. Приводимое ниже описание наиболее распространенных и важных в породообразующем отношении минералов предусматривает характеристику представителей классов силикатов, оксидов и гидроксидов, карбонатов, сульфатов, сульфидов и самородных минералов.

Силикаты являются солями различных кремниевых кислот и относятся к сложным химическим соединениям, содержащим в своем составе элементы К, Na, Са, Mg, Fe, Mn, Al, Si, О, H и др. Однако для них более характерным является не химический состав, а особенности кристаллического строения с наличием ионной кристаллической решетки. Основной структурной единицей этой решетки является кремнекислородный тетраэдр (БіОд)⁴', размеры которого почти всегда строго постоянны (рис. 8.1). Характерной особенностью кремнекислородных тетраэдров является способность иона Si частично заменяться ионом А1 с появлением в кристаллической решетке других алюмокислородных тетраэдров (АЮ4)⁴" с образованием каркасных алюмосиликатов. К наиболее важным представителям этого класса относятся полевые шпаты, нефелин, роговая обманка, авгит, слюды, гидрослюды, а также вторичные силикаты — тальк, асбест, каолинит, монтмориллонит.

Рис. 8.1. Кремнекислородный тетраэдр

Полевые шпаты по химическому составу — алюмосиликаты калия, натрия, кальция. В горных породах распространен калиевый полевой шпат К(А18ізОб), именуемый ортоклазом.

Характерная его особенность: между двумя плоскостями спайности у него образуется прямой угол, и его название означает прямораскалывающийся (орто — прямо, клаз — раскалывание). Не менее распространены полевые шпаты и в виде плагиоклазов, т. с. косораскалывающихся.

К двум разновидностям этих полевых шпатов относятся альбит — алюмосиликат натрия Na(AlSi30s) и анортит — алюмосиликат кальция Ca(AhSi208)8. Ортоклаз имеет светлую окраску, стеклянный блеск, высокую твердость (6—6,5) ^[3], совершенную спайность в двух направлениях и плотность от 2,5 до 2,7 г/см³. На поверхности земли ортоклаз постепенно выветривается и превращается в глинистый минерал. Как породообразующий компонент ортоклаз придает повышенную твердость и прочность горной породе. Высокосортные залежи калиевых полевых шпатов имеются в Карелии, на Урале, в Сибири и других районах нашей страны.

Плагиоклазы в природе существуют в виде многочисленных разновидностей — от чистого анортита до чистого альбита, причем чем выше ОГЛАВЛЕНИЕ анортита в составе плагиоклаза, тем выше показатель его основности. Так, при содержании в составе плагиоклаза от 0 до 30% анортита он является кислым плагикла- зом, от 30 до 60% — средним и от 60 до 100% — основным. Плагиоклазы бывают белого или серовато-белого, реже серого и черного цветов со стеклянным блеском и характерной для них иризацией в синих и зеленоватых тонах. Отличаются высокой твердостью (6—6,5), хрупкостью и плотностью в пределах 2,61—2,76 г/см³, совершенной спайностью. Плагиоклазы неустойчивы к химическому выветриванию на поверхности земли и переходят в глинистые соединения. Применяются в качестве особо ценного декоративного и облицовочного материала (лабрадор). Их месторождения известны на Украине и Урале.

К числу каркасных алюмосиликатов, объединенных кремнеземом, относится также нефелин Na(AlSiC>4), который входит как породообразующий минерал в щелочные магматические породы (нефелиновые сиениты, нефелиниты и др.). Нефелин — бесцветный или чаще серовато-белый минерал с разнообразными оттенками, имеет твердость 5—6 и невысокую плотность (2,6 г/см³), несовершенную спайность, неровный или раковистый излом. Легко выветривается на поверхности земли, превращаясь в каолинит и вторичные образования карбонатного, сульфатного состава и др. В контакте с богатейшими апатитовыми месторождениями нефелиновые породы нередко образуют крупные массивы, имеющие промышленное значение; используются при производстве цемента, стекла; из нефелиновых отходов с помощью обогащения получают глинозем, соду, силикагель, ультрамарин и др. Месторождения этих пород известны на Кольском полуострове (Хибины).

К ленточным силикатам (амфиболам) относится роговая обманка — важный породообразующий компонент магматических и метаморфических пород. В се состав входят элементы Na, Са, Mg, Fe, Al, Si, О, H, образуя сложную химическую формулу. Роговая обманка окрашена в темно-бурые, зеленые и черные цвета с шелковистым или стеклянным блеском. Имеет высокую твердость (5,5—6) и плотность (3,1—3,36 г/см³), характеризуется совершенной спайностью и занозистым изломом. Она отличается высокой вязкостью и большой прочностью, поэтому присутствие ее придает породам повышенные прочность и ударную вязкость. Наиболее известные месторождения роговой обманки имеются на Урале.

Авгит — магнезиально-железистый силикат Ca(Mg, Fe, Al) [(Si, АОгОб] относится к цепочечным силикатам (пироксснам) и является важным породообразующим минералом основных магматических пород. Обычно окрашен в темно-зеленый, черно-бурый или черный цвет со стеклянным блеском. Имеет твердость 5—6 и плотность 3,2—3,6 г/см³, совершенную спайность, повышенные вязкость и прочность. Присутствие авгита в породах сообщает им высокую сопротивляемость механическим воздействиям. Встречается на Урале.

В группу слоистых силикатов входят многочисленные представители со слоистым, листоватым или чешуйчатым строением. Наиболее распространены в породах слюды (особенно биотит и мусковит), гидрослюды, в частности вермикулит, а также тальк, асбест, каолинит, монтмориллонит.

Слюды относятся к группе алюмосиликатов и как породообразующие компоненты входят в состав магматических и некоторых метаморфических пород. Физические свойства слюд близки: они

легко расщепляются на очень тонкие, гибкие и упругие пластинки. Выделяются две разновидности слюд, отличающихся по химическому составу: мусковит и биотит.

Мусковит — белая слюда KAh(OH)2[AlSi30io] встречается в магматических и метаморфических породах. Имеет перламутровый блеск, весьма совершенную спайность в одном направлении, благодаря чему легко расщепляется на тонкие и прозрачные упругие листочки, невысокую твердость (2—3) и плотность 2,8—3,1 г/см³. Мусковит относительно стоек химически и при выветривании обычно переходит в россыпи без заметного изменения. Используется как отличный электроизоляционный материал, а в строительстве — в виде слюдяного порошка (скарпа), как посыпочный материал при изготовлении кровельных материалов (рубероида), огнеупорных красок, керамических изделий и т. п. Достаточно крупные месторождения мусковита имеются на Кольском полуострове, Украине, Среднем Урале, в Восточной Сибири.

Биотит — черная или бурого цвета железисто-магнезиальная слюда K(Mg, Бе)з [БізАІОюНОН, Б]г широко распространена в кислых магматических и метаморфических породах. Имеет небольшую твердость (2—3), весьма совершенную спайность в одном направлении, легко расщепляется на тончайшие упругие пластинки. В природе образует преимущественно пластинчато-чешуйчатые и зернистые скопления, является химически нестойким минералом. Месторождения биотита известны на Урале, в Забайкалье и др.

Гидрослюды — слюдоподобные минералы, содержащие значительное количество связанных молекул НгО между слоистыми пакетами, образованными кремнекислородными тетраэдрами в кристаллической решетке, которые сравнительно легко удаляются при нагревании. Гидрослюды являются результатом выветривания мусковита, биотита и других минералов группы слюд и рассматриваются как промежуточные соединения между слюдами и глинистыми минералами слоистой структуры. Химический состав гидрослюд непостоянный, так как изменяется количественное ОГЛАВЛЕНИЕ катионов, связывающих упомянутые выше слоистые пакеты, и межпакетной воды.

Среди этих минералов наибольшее практическое значение имеет вермикулит золотистого или коричневого цвета (Mg, Fe²⁺, Ге³⁺)з(ОН)г[(А1, Si)₄Oioj • 4НгО. Он имеет низкую твердость (1—1,5) и плотность (2,4—2,7 г/см³), совершенную спайность и способен разделяться на тонкие гибкие неупругие пластинки. При прокаливании, в интервале температур от 900 до 1100°С, его молекулярная вода превращается в пар с образованием внутреннего давления, под влиянием которого происходит расслоение слоистых пакетов и разделение их на червеобразные столбики или нити с поперечным делением на тончайшие чешуйки. Образование огромного количества воздушных прослоек в кристаллической решетке сопровождается сильным (в 15—25 раз) увеличением объема вспученного вермикулита и уменьшением его средней плотности до 0,1—0,3 г/см³. Вермикулит является хорошим теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом. Крупные месторождения его находятся на Украине, Урале и Кольском полуострове.

К группе вторичных слоистых силикатов относятся довольно широко распространенные в природе тальк, асбест, каолинит и монтмориллонит.

Тальк Mg3[Si₄Oio][OH]2 образуется при изменении магнезиальных силикатов и алюмосиликатов природными горячими растворами и является породообразующим минералом тальковых сланцев. Окрашен в белый или бледно-зеленый цвет, имеет стеклянный блеск с перламутровым отливом, очень низкую твердость (меньше 1), плотность 2,7—2,8 г/см³, весьма совершенную спайность и легко расщепляется на гладкие неупругие пластинки, жирный на ощупь. Тальк применяют в порошкообразном виде в качестве наполнителей в производстве пластмасс, паст, глазурей и кислотоупорных изделий. Камневидный тальк используют для огнеупорной футеровки. Промышленные месторождения его известны на Урале.

Асбест встречается в виде нескольких разновидностей, но наибольшее применение для практических целей имеет хризотил-асбест Mg6[Si40io][OH]i8. Для асбеста характерна параллельно-тонковолокнистая структура с длиной волокон, колеблющейся от десятых долей миллиметра до 20—25 мм, иногда до 50—150 мм. Он имеет зеленовато-желтый, а в распушенном состоянии снежно-белый цвет, невысокую твердость (2—3) и способен расщепляться на прочные волоконца толщиной меньше 0,0001 мм. Отличается высокой огнестойкостью и щелочеупорностью, плохо проводит теплоту и электричество. Хризотил-асбест образуется из ультраосновных оливиновых, а также карбонатных пород под влиянием природных горячих растворов. Наиболее ценным считается длинноволокнистый асбест с длиной волокон более 8 мм, используемый при производстве несгораемых тканей, автомобильных тормозных лент, асбесторезиновых изделий и др. Для изготовления асбестоцементных изделий, теплоизоляционных труб, панелей и т. п. применяют асбест с длиной волокон 2—8 мм. Из мелкого асбестового волокна получают обмазочную теплоизоляцию, огнестойкие краски, штукатурные растворы и др. Значительные месторождения асбеста известны на Украине, Урале, в Забайкалье, Саянах и других районах страны.

Каолинит Ah[Si20s][OH]4 является главным минералом многих глинистых пород. Имеет совершенную спайность, легкую расщепляемость на тонкие неупругие чешуйки, весьма низкую твердость (меньше 1) и невысокую плотность — около 2,6 г/см³. В природе он встречается в виде рыхлых чешуйчатых или плотных тонкозернистых агрегатов белого цвета с различными оттенками и матовым блеском. Каолинит образуется преимущественно путем выветривания алюмосиликатов (полевых шпатов, слюды и др.), содержащихся в породах под влиянием воды и СО2, отличается достаточной устойчивостью на поверхности земли и, накапливаясь, образует мощные толщи глинистых пород. Основной потребитель каолиновых глин — керамическая промышленность. Они используются при производстве тонкой фарфоровой и фаянсовой керамики. Каолиновые наполнители широко применяют при производстве пластмасс, эмульгаторов, красителей и т. д. Месторождения каолиновых глин распространены на Урале, Украине, в Казахстане, Подмосковье и др.

Монтмориллонит (А1, Mg)2(OH)2[Si40io] лНгО отличается непостоянным химическим составом, который зависит от содержания воды в атмосфере. Образуется в условиях щелочной среды при разложении вулканических пеплов и туфов в морской воде. Имеет подвижную кристаллическую решетку, вследствие чего приобретает способность к сильному набуханию в присутствии воды и увеличению ее размеров почти в 3 раза, а при нагревании — к постепенному высыханию и значительной усадке. Монтмориллонит имеет белую окраску с разнообразными оттенками, матовый блеск (в сухом состоянии), совершенную спайность чешуек, непостоянную плотность, незначительную твердость (меньше 1) и жирность на ощупь. Он широко распространен на поверхности земли, преимущественно в районах выветривания основных магматических пород; отличается сравнительной устойчивостью к химическому выветриванию. Являясь составной частью глинистых пород, сообщает им повышенные набухаемость и адсорбируемость. В чистом виде используется как адсорбент (отбеливатель), наполнитель, эмульгатор в резиновом, пластмассовом, керамическом и других производствах. Высококачественные месторождения монтмориллонитовых глин находятся на Кавказе, в Крыму, Приднепровье, Закарпатье.

Оксиды являются соединениями металлов и металлоидов с кислородом. Наиболее распространенный минерал этого класса — кварц S1O2, встречающийся в трех главных модификациях: а-кварц, тридимит и кристобалит. Основой его кристаллической структуры служат кремнекислородные тетраэдры, которые образуют прочную решетку каркасного типа, характерную для всех трех его модификаций. Образование кварца связано как с магматическими процессами в недрах земли, так и выпадением из холодных растворов на ее поверхности. Наиболее изученным является а-кварц, который называют просто кварцем. Он устойчив при температуре ниже 573°С. Тридимит устойчив в температурном интервале 870—1470°С, а кристобалит — при температуре ниже 1713°С. Свойства этих модификаций зависят от неплотной упаковки ионов кислорода в кремне

кислородных каркасах. При одном и том же способе сцепления кремнекислородных тетраэдров друг с другом через их вершины между тетраэдрами появляются пустотки, которые в низкотемпературном кварце обладают малыми размерами, а в высокотемпературных, более рыхло построенных тридимите и кристобалите, они крупнее. Поэтому а-кварц значительно плотнее — 2,65 г/см³, чем тридимит (2,30) и кристобалит (2,27), и тверже (7), чем последние (соответственно 6 и около 7). В прямой зависимости от строения находятся и их оптические свойства. Чистый кварц — бесцветный минерал, но может приобретать различную окраску в зависимости от содержания механических примесей. Отличается высокой твердостью (7), несовершенной спайностью, раковистым изломом. Как породообразующий минерал кварц входит в магматические, осадочные и метаморфические породы. Он является химически стойким минералом и накапливается в виде мощных осадочных отложений (песка, песчаника). Повсеместное распространение кварца способствует широкому использованию его в стекольной промышленности, а в виде природного камня (кварцитов, песчаников) — в качестве стойкого облицовочного и конструкционного строительного материала. Кварц является хорошим абразивом, а также используется как сырье для производства оптических приборов, химической посуды и т. п. Многочисленные месторождения кварца известны на Урале, Памире, в Забайкалье, на Украине, Кавказе.

В природе часто встречается гидратированный аморфный кремнезем — опал БЮг'лНгО. ОГЛАВЛЕНИЕ воды в нем колеблется от 1 до 5% и иногда выше. В чистом виде он бесцветен, но при наличии примесей приобретает разные оттенки, имеет стеклянный, а у пористых разновидностей матовый блеск, низкую плотность (1,9—2,5 г/см³) и среднюю твердость (5—5,5). Сравнительно легко растворяется в щелочах, например, в КОН, но в кислотах не разлагается. Условия образования его различны: осаждение из горячих растворов и гейзеров (кремнистые туфы), выветривание ультраосновных магматических пород, коагуляция и седиментация золей кремнезема в морских бассейнах, накопление продуктов жизнедеятельности морских организмов и т. д. Осадочными опалсодержащими породами являются трепелы, диатомиты, опоки, мергели и др., применяемые как гидравлические добавки при производстве цемента, абразивов, а также для изготовления керамических изделий и легких блочных материалов. Они широко распространены на Урале, в Казахстане, Среднем Поволжье, Закавказье и др.

Из группы оксидов и гидроксидов железа практическое значение имеют гематит и лимонит. Первый — кристаллический, второй — аморфный минералы. Гематит (красный железняк) а-ЕегОз содержит до 65—70% железа, а в сплошных гематитовых рудах обычно колеблется от 50 до 65%. Кристаллический гематит железо-черного, а аморфный — ярко-красного цвета, имеет полуметаллический блеск, высокие твердость (5,5—6), плотность (5—5,2 г/см²), неровный налом; хрупок. От других железистых минералов отличается по вишнево-красной черте, оставляемой на неглазурованном фарфоре. Гематит — химически стойкий минерал, образует мощные месторождения железной руды, являющейся ценным сырьем для получения чугуна и стали. Порошкообразный гематит используют в качестве красок при отделочных строительных работах (входит в состав красного пигмента или является компонентом масляных и водных красок). Известные месторождения гематитовых руд находятся в районе Курской магнитной аномалии, на Северном Урале, на Украине.

Лимонит (бурый железняк) HFeCb • aq представляет собой сложный минерал, включающий гидроксиды железа и глинистые минералы с различными примесями, содержащий от 10 до 14% воды. Сложный и переменный состав лимонита отражается на его свойствах, в том числе на твердости (изменяется в пределах 1—4), широком интервале оттенков его бурой окраски и плотности (3,3—4 г/см³). Образуется лимонит преимущественно на поверхности земли при окислении и разложении железосодержащих минералов. Большие скопления лимонита являются месторождениями бурых железняков — сырья для производства чугуна и стали. Их разработка экономична при содержании в этих рудах до 35—40% железа. Крупные месторождения их известны на Керченском полуострове, Урале.

Практическое значение имеет оксид титана, именуемый рутилом ТЮг. Существует три известных модификации этого соединения, но рутил среди них является наиболее устойчивой как при высокой, так и при низких температурах. Химический состав — Ті 69%, часто присутствуют Fe в виде окиси или закиси, иногда Zn (до 1,5%) и др. Рутил, богатый примесью Fe, в виде твердого раствора называется нигрином (FeTiCb). Цвет рутила обычно темно-желтый, бурый, красный; у нигрина — черный. Блеск алмазный до металловидного, твердость 6, хрупок, спайность — совершенная. Встречается в ряде месторождений Ильменских гор (Южный Урал), в Казахстане, а в россыпях — на Среднем Урале. Из иностранных следует отметить месторождения рутила в Северной Каролине (США), а в виде нигрина — в Норвегии. Употребляют для выплавки ферротитана (для стойких при ударах сортов стали), в керамике в качестве бурой краски, для изготовления титановых белил и др.

К группе оксидов также относится природный минерал, значение которого трудно переоценить как в строительном материаловедении, так и в жизни на Земле. Этот продукт окисления водорода 2Нг + Ог = 2НгО получается в виде льда, воды и водяного пара.

Лед — Н2О, содержит водорода 11,2 и кислорода 88,8%. Иногда содержит газообразные и твердые механические примеси. Является водой в твердом кристаллическом состоянии. Возможно образование кристаллов льда десублимационным путем, т. е. непосредственно из парообразного состояния.

В природе этот оксид — очень распространенный минерал, обладает молекулярной кристаллической структурой, хотя определенную роль играют и водородные связи, образующиеся между молекулами Н2О. Они начинают разрываться при повышении температуры льда до 0°С и выше, полностью исчезают при высокой температуре воды. В больших скоплениях лед имеет голубоватый оттенок, но бесцветен и со стеклянным блеском, прозрачный. Спайность отсутствует, твердость 1,5, хрупкий. Кристаллы льда имеют различное очертание, что зависит от условий его образования — в атмосфере (снежинки), в ледяных пещерах, в условиях вечной мерзлоты и др., но в целом его плотность ниже воды (0,917) в связи с низким координационным числом каждой молекулы НгО, равным 4 (ажурная структура льда). Хорошо ограненные кристаллы льда встречаются редко. Обладает достаточно высокой прочностью, что позволяет использовать толстый ледяной слой в зимнее время как сравнительно надежный "строительный материал", например, при возведении временных палаточных поселков, дорожно-мостовых переходов и т. п.

Вода по химическому составу и происхождению разделяется на морскую (с растворенными в ней солями), пресную речную и озерную, поверхностную дождевую и грунтовую, подземную, минеральных источников (углекислую, сероводородную, железистую и др.).

Критическая температура для чистой воды равна 374°С, критическое давление 21,7 МПа. Плотность чистой воды равна 1 при 4°С, она понижается с уменьшением температуры (этим она отличается от других жидкостей, у которых она возрастает согласно линейному уравнению Д.И. Менделеева: dt = <afo(l - kt), где di — плотность при f°C; do — плотность при 0°С; к — модуль термического расширения жидкости.

Вода служит не только средой (например, растворяющей) для многих физических явлений, но и важнейшим агентом химических процессов в земной коре. Электролитическая диссоциация воды на катионы Н^,+ и анионы (ОН)'- и гидролиз связаны с образованием гидрооксидов, основных и кислых солей. Она способствует формированию гидрогелей в природе, протеканию метаморфических процессов и, в частности, перекристаллизации минеральных веществ. В них она удерживается как конституционная, прочно связанная с кристаллической решеткой минерала в виде ионов ОН^- и Н⁺ (например, талька, серпентина, брусита, каолинита и др.), а также в виде нестойкого иона оксония НзО^|+, от которого легко отщепляется НгО с выделением Н. Вода удерживается еще и как кристаллизационная в виде молекул ШО, что является следствием гидратации с образованием кристаллогидратов (например, Na2SCh • 7Н2О, CaSC>4 • 2НгО и др.). К этому же типу относится и цеолитная вода, располагающаяся в пустотах кристаллов минералов группы цеолитов — водных алюмосиликатов, главным образом Са и Na (например, шабазит, нитролит и др.). Удерживается вода и как адсорбционная, молекулы которой физико-химически и механически притягиваются многими минералами под влиянием поверхностной энергии. Такая вода типична для силикатов со слоистой структурой (например, в монтмориллоните и др.).

Вода имеет огромное значение и в органическом мире, в частности, в произрастании лесов как потенциального вида строительной древесины, в развитии растений. Наконец, вода служит неотъемлемым компонентом при производстве строительных материалов, изделий и конструкций.

Водяной пар — газообразное состояние Н2О. В природе и, в частности, в минералах и горных породах встречается значительно реже. Поэтому водяной пар рассматривается в соответствующих главах настоящей книги только в связи с определенными технологиями, например, производством автоклавных силикатных материалов и изделий.

Карбонаты являются солями угольной кислоты и широко распространены как породообразующие компоненты осадочных и метаморфических пород. Основой кристаллической структуры карбонатов служат плоские комплексные анионы (СОз)²-, которые, связываясь друг с другом, образуют цепочечные, слоистые или каркасные структуры. В кристаллических решетках они участвуют как самостоятельные элементы, не распадающиеся даже при растворении минерала. Наиболее распространенными являются кальцит, магнезит, доломит, натрит.

Кальцит СаСОз — кристаллический минерал ромбоэдрической, пластинчатой формы, бесцветный или молочно-бурой окраски с различными оттенками, стеклянным блеском, низкими твердостью (3) и плотностью (2,6—2,8 г/см³), совершенной спайностью по трем направлениям и ровным изломом. Кальцит слабо растворим в воде, но под влиянием углекислоты, часто содержащейся в воде (например, грунтовой), переходит в бикарбонат кальция: СаСОз + Н2О + СО2 = Са(НСОз)г, который растворяется в воде примерно в 100 раз легче, чем сам кальцит. Поэтому породы, содержащие кальцит, быстро разрушаются при контакте с водой, насыщенной углекислотой.

Кальцит легко распознается по реакции "вскипания" под действием разбавленной соляной кислоты, которая вызывается бурным выделением углекислого газа и служит простым приемом распознавания карбонатных пород. В природе кальцит встречается в виде кристаллических агрегатов, друз (сростков), натеков, но преимущественно распространен в виде мощных отложений известняков, мрамора и др. Условия его образования разнообразны и, в основном, связаны с накоплением известняковых илов — продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов в морских бассейнах (органогенные известняки), а также с отложением, под влиянием коагуляции, коллоидных растворов углекислой извести в виде тонких пленок на поверхности частиц, взвешенных в движущейся воде (химические известняки). Месторождения различных видов кальцита, а также разнообразных карбонатных пород — мела, мраморов — встречаются в Карелии, на Украине, в Донбассе, на Урале и др. Они являются ценным поделочным материалом, сырьем для производства цемента, извести, огнеупоров и т. п.

Магнезит (MgC03) по структуре и форме кристаллов сходен с кальцитом, но распространен в природе значительно реже. Окрашен в белый цвет с желтоватым или сероватым оттенком, имеет стеклянный блеск, среднюю твердость (4—4,5) и невысокую плотность (2,9—3,0 г/см³), а также совершенную спайность по ромбоэдру. В отличие от кальцита при воздействии НС1 реакции вскипания не обнаруживает. Образуется магнезит преимущественно под влиянием горячих магнезиальных растворов на известняк и при выветривании магнезиальных силикатов (серпентинитов). В природе встречается в виде сплошных мраморовидных (кристаллических) и плотных (аморфных) масс, которые имеют большое промышленное значение, особенно при производстве высокоогнеупорных изделий (см. гл. 17).

Доломит [Са, Mg(CC>3)2] в структурном отношении сходен с кальцитом. Окрашен в белый или серовато-белый цвет со стеклянным блеском, имеет среднюю твердость (3,5—4), невысокую плотность (1,8—2,9 г/см³), совершенную спайность и ступенчатый излом. Вскипает с холодной НС1 только в порошке. Доломит широко распространен в природе как породообразующий компонент доломитов и доломитизированных известняков.

Натрит ЙагСОз • IOH2O — бесцветный или окрашенный в белый цвет минерал со стеклянным блеском, небольшими твердостью (1—1,5), плотностью (1,4—1,5 г/см³) и несовершенной спайностью. СНС1 обнаруживает бурную реакцию вскипания. При нагревании растворяется в собственной кристаллизационной воде. Он образуется в некоторых соляных озерах, богатых натрием, при избытке растворенного СОг. Применяется при производстве стекла, в металлургии и др. Обычно встречается в виде плотных и зернистых масс. Содовые месторождения распространены в Восточной Сибири, Казахстане и др.

Сульфаты — соли серной кислоты, образующиеся в поверхностных слоях земли. Среди представителей этого класса имеется мало

соединений, достаточно устойчивых в земной коре. Основой структуры сульфатов являются тетраэдрические анионные группы (SOi)^2-, которые, связываясь друг с другом с помощью различных катионов, молекул воды и др., образуют разнообразные островные, каркасные, цепочечные, слоистые структуры. Сульфаты характеризуются невысокой твердостью и прочностью, высокой спайностью, светлой окраской. Для строительных целей используют ангидрит, гипс, барит и мирабилит.

Ангидрит CaSC>4 встречается в виде сплошных зернистых масс и является кристаллическим минералом голубовато-белого цвета со стеклянным блеском, имеет невысокую твердость (3—3,5), плотность около 3 г/см³, совершенную спайность и листоватый излом. Легко присоединяет в природных условиях воду, переходя в гипс с сильным (до 30%) увеличением объема. Является породообразующим компонентом в породах одноименного названия (см. 8.3).

Гипс CaSC>4 2Н2О — кристаллический минерал, обычно слагающий в природе огромные мраморовидные скопления гипсовых пород. Он имеет белый цвет с разнообразными оттенками, малую твердость (1,5—2), низкую плотность (2,3 г/см³), весьма совершенную спайность и листоватый излом, отличается хрупкостью. Растворим в воде (одна часть гипса на две части воды) с максимумом растворимости при температуре 37—38°С и понижением ее до минимума при 107°С и выше, что объясняется образованием нового соединения — полугидрата CaSC>4 • 0,5НгО. В генетическом отношении гипс относится к типичным химическим осадкам и образуется в высыхающих участках моря. Вместе с ангидритом его используют для получения вяжущих веществ (см. 9.1.3).

Барит (тяжелый шпат) BaSC>4 — весьма распространенный после ангидрита минерал с таблитчатой формой кристаллов. Он образует грубозернистые плотные массы белого и серого цвета со стеклянным блеском, невысокой твердостью (2,5—3,5), совершенной спайностью, неровным изломом и характерной для него хрупкостью. Отличается слабым пропусканием активных лучей (у-лучи, рентгеновские и др.), вследствие чего используется для производства специальных бетонов. Образуется выпадением из горячих водных растворов, а также осаждением в виде нерастворимого сульфата бария в прибрежных участках моря. Барит применяют для производства специальных стекол, керамических эмалей, пластмасс, высокосортных красок. Месторождения его находятся на Урале, в Грузии, Туркмении, Казахстане, на Алтае.

Мирабилит Na2S04 • IOH2O содержит свыше 55% кристаллизационной воды, с которой связаны многие его свойства. Он образует бесцветные и прозрачные хрупкие кристаллы малой твердости (1,5—2) и низкой плотности (1,48 г/см³) с совершенной спайностью.

Легко растворяется в воде, но также легко ее отдает в условиях сухой среды, превращаясь в безводный белый порошок. Является минералом химического генезиса (залив Кара-Богаз-Гол). При температуре 32°С растворяется в собственной кристаллизационной воде, а при взаимодействии с НС1 не обнаруживает реакции "вскипания", чем и отличается от похожей на него соды. Используется в стекольной, химической промышленности (сода, краски и др.). Промышленными месторождениями являются Кара-Богаз-Гол (Каспий), озера Северо-Восточного Казахстана, Северный Кавказ, Крым.

Сульфиды являются соединениями серы с другими элементами, в том числе с железом. Кристаллическая решетка их построена ионами серы, в промежутках между которыми располагаются атомы или ионы металлов с ионной или ковалентной связью. Среди сульфидов следует отметить пирит FeS2, встречающийся в виде хорошо образованных кристаллов и больших зернистых скоплений — колчеданных залежей, а также вкраплений в многочисленных породах и т. д. Цвет пирита в свежем изломе золотисто-желтый, блеск металлический; отличается высокой твердостью (6—6,5), средней плотностью (4,9—5,2 г/см³) и несовершенной спайностью. Он является самым распространенным сульфидом в земной коре и вместе с тем химически неустойчивым соединением на ее поверхности, где легко гидролизуется с образованием гидроксидов и серной кислоты, которая способствует быстрому разрушению пород. Пиритовые руды служат сырьем для получения серной кислоты, причем побочный продукт этого производства, пиритовые огарки, используют в технологии производства портландцемента, а также для получения красок или в качестве железной руды.

К представителям этого же класса относится киноварь HgS, хрупкий минерал красного цвета с сильным полуметаллическим блеском, невысокой твердостью (2—2,5). Она имеет высокую плотность (8,09—8,2 г/см³), не проводит электричества. Киноварь образуется исключительно как низкотемпературный гидротермальный минерал, связанный с молодыми вулканическими районами, где она встречается в виде пластовых залежей и жил; на поверхности земли устойчива и поэтому накапливается в россыпях. Применяется для приготовления красок, но главным образом служит сырьем для получения ртути. Месторождения киновари известны в Донбассе, на Кавказе, в Средней Азии и Западной Сибири.

Самородные минералы имеют практическое значение в виде шунгита, представляющего собой аморфный углерод С, образовавшийся в результате природного коксования угля при метаморфизме осадочных пород, содержащих пропластки органических оегатков, в том числе каменного угля, битума и др. От графита отличается большими твердостью (3—4), плотностью и раковистым изломом. Шунгит инертен по отношению к агрессивным средам, электро- и

теплопроводен; способен вспучиваться при температуре обжига 10°С, образуя легкое пористое вещество. Входит в состав шунгитовых сланцев.