3.Породообразующие минералы

Среди большого разнообразия природных минералов только часть их участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов относится: кварц, полевые шпаты, слюда, карбонаты, сульфаты.

От минерального состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются прочностью, твердостью и химической стойкостью, другие – незначительной прочностью, недостаточной химической стойкостью, способностью значительно поглощать воду. Отдельные минералы обладают способностью легко расслаиваться по направлениям, понижая этим прочность породы, в состав которой они входят.

Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначения образованных пород в строительстве.

Большинство минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой.

Многие минералы анизотропны, т.е. физические свойства их – теплопроводность, линейное расширение – различны по разным направлениям – кристаллографическим осям.

В отличие от кристаллических аморфные минералы /опал, трепел/ изотропны, т.е. физические свойства их одинаковы по любому направлению.

Некоторые минералы обладают спайностью, т.е. сравнительно легко разделяются по одному направлению или нескольким. Плоскости раскола, которые называют плоскостями спайности, бывают ровные и блестящие.

Ниже приведена краткая характеристика важнейших породообразующих минералов.

3.1.Группа кварца

В наибольшем количестве в земной коре /литосфере/ содержится свободный кремниевый ангидрид или, кремнезём SiO₂. В состав большинства минералов он входит в виде силикатов – химических соединений с основными окислами. Свободный природный кристаллический кремнезем встречается в виде кварца – одного из более распространенных в земной коре минералов. Его кристаллы имеют форму шестигранных призм с шестигранными же пирамидами на концах. Кварц обычно непрозрачен, чаще белого молочного цвета. Спайность кварца отсутствует.

С щелочами при обычной температуре не взаимодействует, но в среде насыщенного пара или при Т=150-200 ^оС он вступает с Ca(OH)₂ в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются для получения искусственных материалов из смеси кварцевого песка и извести. Кварц имеет высокую прочность. Истинная плотность кварца 2,65 г/см3 ; твердость 7 по шкале твердости. Кварц имеет высокую прочность при сжатии /около 2103 МПа/ и хорошо сопротивляется действию истирания. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при Т=575 ^оС кварц из - модификации переходит в - модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%.

При Т=870 ^оС - модификация начинает переходить в тридимит /плотность 2,26/, значительно увеличиваясь в объеме.

Все температурные превращения кварца можно представить схемой

Кварц находится в природе как в виде самостоятельной горные породы /кварцевых песков, горного хрусталя, аметиста /лилового цвета/, топаза /буровато-дымчатого цвета/, сапфира /синеватого цвета/, так и может входить в состав полиминеральных горных пород.

Белый, серый, мутный или совершенно непрозрачный жильный кварц служит наряду с полевым шпатом – сырьем для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий, а также применяется в качестве прибавки при плавке руд /облегчает плавку и уходит в шлак/.

В природе встречается минерал опал аморфной структуры, представляющий гидрат кремнезема /SiO₂×nH₂O/; аморфный кремнезем, в отличие от кристаллического, активен, может, например, соединяться с известью при нормальной температуре /применяется при изготовлении смешанных вяжущих веществ/.

3.2. Группа алюмосиликатов

Второе место после кремнезема в земной коре занимает глинозем Al₂O­₃. свободный глинозем в природе встречается в виде минералов корунда и других глиноземных материалов.

3.2.1. Корунд является одним из наиболее твердых минералов, занимающим девятое место по шкале твердости, т.е. непосредственно перед алмазом. Благодаря высокой твердости корунд является отличным абразивом и широко применяется для измельчения и истирания других материалов.

Весьма распространенный абразивный материал – наждак, он является смесью мелкозернистого корунда и других достаточно твердых материалов/кварцев, например/. Корунд используется для производства высокоогнеупорных материалов.

Другой глиноземный материал – диаспор представляет собой моногидрат глинозема Al₂O₃×H₂O, содержит 85%Al₂O₃. Диаспор входит в состав бокситов тонкодисперсных горных пород часто красного или фиолетового цвета, богатых глиноземом /40-80%/ и используемых как сырье для производства глиноземистого цемента. Бокситы являются полигидратами глинозема. Их состав выражается формулойAl₂O₃×nH₂O, гдеn=1, 2, 3…

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемыми алюмосиликатами. Наиболее распространенными алюмосиликатами в земной коре являются полевые шпаты, которые составляют по массе более половины всей литосферы.

3.2.2. Полевые шпаты. Характерная особенность полевых шпатов – хорошо выраженная спайность по двум направлениям. В зависимости от угла, под которым пересекаются направления спайности, различают полевые шпаты: ортоклазы – K₂O×Al₂O₃×6SiO₂– прямораскалывающиеся минералы, и плагиоклазы – косораскалывающиеся минералы. К последним относится альбит /белый/Na₂O×Al₂O₃×6SiO₂и анортитCaO×Al₂O₃×2SiO₂.

Полевые шпаты имеют белый, розовый, красный, желтый цвет.

Полевые шпаты имеют предел прочности при сжатии 120-170 МПа, истинная плотность от 2,5 /ортоклаз/ до 2,76 /анортит/. Полевые шпаты легко выветриваются, т.е. разрушаются под действием атмосферных агентов – влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности – каолинит Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂О, входящий в состав глин, а иногда и кальцит /CaCO₃/.

3.2.3. Слюды – водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде окиси магния и железа, вследствие чего слюда биотит непрозрачна и имеет темный, а иногда черный цвет; мусковит – прозрачен, так как он не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие, упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Истинная плотность мусковита 2,76-3,1 г/см³, а биотита 2,8-3,2 г/см³, твердость 2-3 по шкале твердости.

Биотит входит в состав многих изверженных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Мусковит встречается в изверженных и осадочных породах. Химический состав:

биотита: К(Fe,Mg)₃(OH,F)₂(AlSi₃O₁₀)

мусковита: KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂.

В результате окисления и гидратации биотита образуется вермикулит – гидрослюда золотисто-бурого цвета, при прокаливании теряющая воду и увеличивающаяся в объеме в 18-25 раз. Обожженный вермикулит, называемый зонодитом, используется в качестве теплоизоляционного материала.

3.2.4. Каолинит, или водный алюмосиликат Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂О, представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Каолинит обычно встречается в виде белых или оранжевых рыхлых землистых или плотных масс. Истинная плотность каолинита 2,6 г/см³. Будучи самым мягким минералом /по шкале твердости - 1/, каолинит является основной частью глин, обладая высокими пластическими свойствами; применяется в производстве фарфора.