Войти  |  Регистрация
Авторизация

Виды и свойства минералов в строительства



Минералы (от лат. minera - руда) - природные тела с определенным химическим составом и кристаллической структурой. По химическому составу минералы подразделяют на девять классов: силикаты, карбонаты, оксиды и гидроксиды, сульфиды, сульфаты, галоиды, фосфаты, вольфрамиты, самородные элементы.
Как минералы, слагающие горные породы, и применяемые в производстве природных и искусственные строительных материалов, практическое значение имеют силикаты, карбонаты, сульфаты и оксиды.
Структура и свойства минералов. Самыми распространенными в природе минералами являются силикаты. Они представляют собой соли кремниевых кислот, среди которых выделяют подгруппы минералов, имеющих некоторую общность состава и строения: полевые шпаты, пироксены, амфиболы, глинистые минералы и др. Особенно велика роль полевых шпатов, которые составляют около 50% (по массе) всей земной коры.
Современная классификация силикатов построена по типам их кристаллохимических структур, которые находятся в тесной связи с химическим составом минералов, и определяют их важнейшие физические свойства.
В минералах-силикатах каждый ион кремния Si4+ связан с четырьмя ионами кислорода. Основной структурной единицей кристаллической решетки силикатов является кремнекислородный тетраэдр ([SiO4]4-), в вершинах которого располагаются ионы кислорода О2-, а в центре - ион кремния Si4- (рис. 6.1). Он обладает четырьмя свободными валентными связями, чем и определяются различные способы сочленения тетраэдров и присоединение ионов других элементов, входящих в состав силикатов. Кремнекислородные тетраэдры могут быть обособлены один от другого или соединяться с помощью общих кислородных ионов, что приводит к появлению изолированных (островных), цепочечных, ленточных, слоистых, каркасных силикатов (рис. 6.2) и, соответственно, различным свойствам минералов.
Виды и свойства минералов в строительства
Виды и свойства минералов в строительства

Островные силикаты представлены одиночными или сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами, удерживаемыми катионами Mg, Ca и др. Кольцевые силикаты состоят из групп, включающих по 3, 4 и 6 тетраэдров, связанных в кольца. В структуре цепочечных и ленточных силикатов кремнекислородные тетраэдры соединены или в непрерывные цепочки с радикалом (Si2O6)4- - цепные силикаты, или в сдвоенные цепочки с радикалом (Si4O11)6- - ленточные силикаты. Кристаллическая структура листовых силикатов имеет форму лент, соединенных в один непрерывный слой - лист. Каркасные силикаты отличаются трехмерным сцеплением кремнекислородных тетраэдров. В этом случае каждый ион кислорода принадлежит одновременно двум тетраэдрам. Сцепление тетраэдров происходит через все четыре вершины. Характерной особенностью кремнекислородных тетраэдров является способность иона Si частично заменяться ионом Al с появлением в кристаллической решетке алюмокислородных тетраэдров [AlO4]4- и образованием каркасных алюмосиликатов. Такое свойство химических элементов замещать друг друга в кристаллических структурах, не нарушая их строения, называется изоморфизмом.
Физико-механические свойства минералов классифицируются на три основные группы: морфологические, оптические механические. Морфологические свойства определяются внешней формой минералов. К оптическим свойствам относятся цвет, прозрачность, блеск; к механическим -твердость, степень спайности, вид излома и др.
Форма - свойство минералов, по которому их можно подразделить на виды или на т.н. габитусные типы (рис. 6.3).
Виды и свойства минералов в строительства

Цвет отражает характер-взаимодействия световых волн со структурными элементами, входящими в состав кристаллической структуры минералов. Это свойство, в значительной мере предопределяется их химическим составом, а также наличием механических примесей, дефектов структуры, микротрещин и рядом других факторов.
Блеск - свойство минерала отражать от своей поверхности часть световых лучей. Числовое значение отражающей способности называется показателем отражения, значение которого всегда меньше единицы.
Прозрачность минералов тесно связана с блеском и характеризует способность пропускать свет в видимом спектре. В зависимости от коэффициента поглощения света все минералы условно можно разделить на три группы: прозрачные (кварц, алмаз), полупрозрачные (гипс, гематит) и непрозрачные (графит).
Твердость минералов - это степень их сопротивления внешнему механическому воздействию, способность противостоять проникновению в них других, более твердых тел. Существует несколько способов определения твердости, среди которых наиболее распространенными и доступными являются определение твердости с помощью склерометра и с помощью шкалы Мооса. Для тонкой инструментальной оценки твердости в лабораторных условиях применяют различные типы склером или твердомеров. Этот метод позволяет определить твердость минералов в МПа с точностью до сотых долей и основан на вдавливании под определенной нагрузкой в отшлифованную поверхность минерала или на ровную грань кристалла алмазной либо стальной четырехгранной пирамиды, заостренной под определенным углом. Величина вмятины, образованная при этом на поверхности минерала, дает возможность рассчитать абсолютную твердость T:
Виды и свойства минералов в строительства

где α - угол между противоположными гранями алмазной (стальной) пирамиды; P - величина нагрузки; d - диагональ вмятины.
Значения твердости (микротвердости) для некоторых минералов составляют, МПа: тальк - 25, графит - 100, гипс - 360, апатит -5300, кварц - 11200, алмаз - 100600. Относительная твердость минералов чаще всего определяется с помощью приближенного метода по шкале, предложенной немецким ученым Ф. Моосом и носящей его имя. В шкале Мооса десять специально подобранных минералов от самого мягкого - талька до самого твердого - алмаза расположены в последовательности, при которой следующий по порядку минерал оставляет царапину на предыдущем, а сам им не прочерчивается. Порядковый номер минерала обозначает его твердость (табл. 6.1).
Спайность - способность минералов раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием гладких поверхностей различной степени зеркальности - плоскостей спайности. Она зависит от внутренней структуры кристаллического вещества и не связана с его внешней формой. В зависимости от степени и характера раскола и зеркальности, характерных при дроблении минералов, различают различные степени спайности.
Виды и свойства минералов в строительства

Весьма совершенная спайность образуется когда минерал расщепляется на тончайшие пластинки; совершенная, если при расколе минерала образуются обломки, ограниченные правильными плоскостями с зеркально-гладкой поверхностью; средняя, когда на обломках минерала отчетливо видны как плоскости спайности, так и неровные изломы; несовершенная (или весьма несовершенная), при которой плоскостей спайности почти не видно, а излом обломков неровный или минерал раскалывается по неопределенным направлениям. Спайность чаще относится к отрицательным признакам горных пород как строительных материалов. При совершенной спайности снижаются прочность и стойкость, как самого минерала, так и содержащей его горной породы, затрудняется технологическая обработка.
Основные породообразующие минералы. Из множества известных минералов только около 50 участвуют в образовании горных пород. Процентное соотношение породообразующих минералов в составе горных пород может быть самым различным. Так, например, основными минералами гранита являются полевые шпаты (до 60%), кварц (до 40%), слюда, роговая обманка и авгит (вместе до 10%); ангидрит почти полностью состоит из одноименного минерала. К числу главнейших породообразующих минералов относятся полевые шпаты, кварц, слюды, железисто-магнезиальные силикаты, сульфаты, карбонаты.
Полевые шпаты - большая и важная в промышленном отношении группа силикатов, являющихся основными породообразующими минералами большинства изверженных (граниты, диориты, габбро, лабрадориты), а также многих метаморфических (гнейсы и др.) пород. По химическому составу полевые шпаты представляют собой алюмосиликаты натрия, калия и кальция.
Ортоклаз - калиевый полевой шпат K[AlSi3O8] розово-красного цвета, имеющий две плоскости спайности, расположенные под прямым углом друг к другу. Разновидностью калиевых полевых шпатов является микроклин. Это минерал белого, желтого или красного цвета, имеющий чаще всего кристаллы призматической формы. Ортоклаз и микроклин могут замещать друг друга в породах или же присутствовать одновременно.
Плагиоклазы - ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов от белого до темно-серого цвета. Минералы, входящие в этот ряд, представляют собой изоморфные смеси альбита Na[AlSi3O8] и анортита Ca[AlSi2O8].
Кварц SiO2 — самый многочисленный представитель класса оксидов и гидрооксидов. Встречается в виде трех главных модификаций: α-кварц, тридимит и кристобалит. Наиболее изученным является α-кварц (его обычно называют просто кварцем). Он устойчив при температуре ниже 573°С. Тридимит устойчив в температурном интервале от 870 до 1470°С, а кристобалит - при температуре ниже 1713°С. Свойства этих модификаций зависят от плотности упаковки ионов кислорода в кремнекислородных каркасах. α-Кварц значительно плотнее, чем тридимит и кристобалит и тверже, чем последние. В прямой зависимости от структуры находятся оптические свойства разновидностей кварца. Обычный цвет кварца - молочно-белый или серый. Прозрачную кристаллическую разновидность кварца называют горным хрусталем, черную - морионом, фиолетовую - аметистом. Кварц является химически стойким минералом и накапливается в виде мощных осадочных отложений (пески, песчаники). Он входит в состав гранитов, кварцитов, песчаников, диоритов и др.
Слюды - группа минералов, представляющих собой алюмосиликаты слоистой структуры обладающих способностью расщепляться на тончайшие пластинки, что отличает их от других минералов. Слюды входят в состав многих изверженных, осадочных и метаморфических пород. Наиболее распространены два вида слюд: биотит - черная железисто-магнезиальная слюда с плотностью 3,0-3,3 г/см3 и мусковит - прозрачная калиевая слюда с плотностью 2,77-3,10 г/см3. При выветривании слюды расслаиваются, снижая тем самым прочность горных пород и ускоряя их разрушение.
Гидрослюды - слюдоподобные минералы, содержащие значительное количество связанных молекул воды. Они являются результатом выветривания мусковита, биотита и других минералов группы слюд и рассматриваются как промежуточные соединения между слюдами и глинистыми минералами слоистой структуры. Среди этих минералов наибольшее практическое значение имеет вермикулит. 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 температуре около 1000°С, молекулярная вода, входящая в состав вермикулита превращается в пар с образованием внутреннего давления, под влиянием которого происходит расслоение слоистых пакетов и их разделение. Образование огромного количества воздушных прослоек в кристаллической решетке сопровождается сильным (в 15-25 раз) увеличением объема вспученного вермикулита и уменьшением его средней плотности до 100-300 кг/м3. Вспученный вермикулит является хорошим теплоизоляционным и звукопоглощающим материалом.
Железисто-магнезиальные силикаты - группа входящих в класс силикатов темноокрашенных минералов, являющихся составной частью основных и ультраосновных изверженных пород - габбро, диабазов, базальтов. Эти минералы отличает повышенная истинная плотность (3.20-4.35 г/см3), а также высокая ударная вязкость, благодаря которой породы, содержащие их, имеют меньшую хрупкость. Твердость - 5,5-7; цвет - от темно-зеленого до черного в зависимости от наличия железа в их составе. Наиболее распространенные минералы этой группы: пироксены, амфиболы, оливин.
Основой структуры сульфатов являются тетраэдрические анионные группы (SO4)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.
Гипс CaSO4*2H2O - кристаллический минерал, обычно слагающий в природе мраморовидные скопления гипсовых пород. Он имеет белый цвет с разнообразными оттенками, стеклянный, иногда матовый блеск, малую твердость (1,5-2), низкую плотность (2,3 г/см3), весьма совершенную спайность и листоватый излом, отличается хрупкостью. Максимально растворим в воде при температуре 37-38°С, с повышением температуры растворимость гипса уменьшается. В генетическом отношении гипс относится к типичным химическим осадкам и образует горную породу - гипсовый камень. Вместе с ангидритом широко используется для получения вяжущих веществ.
Ангидрит CaSO4 - безводная и более твердая разновидность гипса, внешне напоминающая мрамор. Является кристаллическим минералом голубовато-белого цвета со стеклянным блеском, имеет невысокую твердость (3-3,5), плотность около 3 г/см3. Легко присоединяет в природных условиях воду, переходя в гипс с большим (до 30%) увеличением объема. Является породообразующим минералом в породах одноименного названия.
Кальцит CaCO3 - характерный представитель класса карбонатов, один из наиболее распространенных минералов в земной коре. Встречается в виде кристаллов различной формы, твердость около 3, плотность - 2,6-2,85 г/см3. Кальцит слабо растворим в воде, под влиянием углекислоты переходит в бикарбонат кальция Ca(HCO3)2, который растворяется в воде примерно в 100 раз легче, чем сам кальцит. Поэтому породы, содержащие кальцит, быстро разрушаются при контакте с водой, насыщенной углекислотой. Входит в состав известняков, мраморов, травертинов и др.
Магнезит MgCO3 - минерал, близкий по свойствам к кальциту, но значительно реже встречающийся в природе. Твердость его 3,5-4, истинная плотность 3,0 г/см3. В природе встречается в виде сплошных мраморовидных и плотных масс, которые имеют большое промышленное значение, особенно при производстве высокоогнеупорных изделий. Слагает идентичную горную породу.
Доломит CaCO3*MgCO3 - карбонат серовато-белого цвета с различными оттенками, по свойствам занимающий промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. Доломит широко распространен в природе как породообразующий компонент одноименных горных пород и доломитизированных известняков.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent