Главная → Статьи

Петрография заполнителей для бетона

Петрографическая классификация горных пород для заполнителей

Любая горная порода может быть крупнозернистой или мелкозернистой, твердой или мягкой, массивной или слоистой, постоянной или непостоянной по составу. Изверженные породы могут иметь полнокристаллическую структуру или состоять целиком из стекла. Возможна и промежуточная, смешанная структура — частично кристаллическая и частично стекловидная. Многие другие свойства пород колеблются в зависимости от характера их возникновения. Доменные шлаки, застывшие в расплавленном состоянии, сходны по своим физическим свойствам с некоторыми вулканическими породами, но отличаются от них в химическом отношении. Качество породы как заполнителя зависит отчасти от того, является ли она изверженной, осадочной или метаморфической. Каждый из этих трех классов (а также подклассы, существующие внутри каждого из них) обладает характерным расположением минералов, своей текстурой, внутренней структурой, и другими свойствами, которые в основном определяют его поведение при службе в различных условиях.

Хотя разделение пород на три класса основано на их происхождении, однако состав, текстура и структура материала так тесно связаны с характером образования породы, что петрограф почти всегда может установить ее происхождение и, следовательно, классификацию на основании характеристик, которые могут быть определены в имеющемся образце. Таким образом, горные породы можно классифицировать по составу, текстуре и структуре, не определяя их происхождения. Действительно, петрограф вынужден определять, является ли порода осадочной, метаморфической или изверженной путем исследования отдельных образцов, так как условия образования данной породы и общие геологические условия этой формации обычно неизвестны.

Текстура и структура горных пород для заполнителей

Внутренняя текстура горной породы и минеральной частицы — это система расположения её составных частей. Внутренняя текстура зависит от размера, формы, расположения и пограничных связей составных частиц породы. Внутренняя же структура — это расположение в породе или минерале текстурных элементов. Внутренняя структура бывает: слоистая или конкреционная в осадочных породах; полосчатая и ноздреватая в изверженных породах; чешуйчато-слоистая и сланцеватая в метаморфических породах. Кроме того, во всех породах встречаются трещины, жилы и пустоты, образовавшиеся в результате растворения. Частицы пород состоят из минералообразующих кристаллов, возникших на месте, обломков кристаллов или пород, отложившихся самостоятельно, и аморфных масс, например вулканического стекла или опала, застывших из расплава или выделившихся из раствора.

Как уже указывалось, изверженные породы образовались в результате застывания расплавленного кремнеземистого вещества, в глубине земной коры или излившегося на ее поверхность. Если расплавленное вещество остывало достаточно медленно, то образовавшиеся породы оказывались полнокристаллическими. Если оно остывало очень медленно, то образовывались кристаллы большого размера и возникала крупнокристаллическая тексту-pa, сходная с текстурой гранита. Если лава остывала быстро, то часть расплавленного вещества застывала в стекловидно!/ состоянии еще до того, как успевала произойти кристаллизация; в результате образовывались породы, состоящие из небольших кристаллов, погруженных в аморфную стекловидную массу.

Высококремнеземистые изверженные породы, как, например, гранит, кристаллизовались постепенно, так что минерал, образовавшийся последним (обычно кварц), растекался по сравнительно гладким поверхностям возникших ранее кристаллов. Следовательно, в данном случае текстура характеризуется незначительным прорастанием и легким гранулообразованием, причем низкая прочность проявляется в наибольшей степени у частиц, содержащих сравнительно мало кристаллов. Кристаллические изверженные породы с меньшим содержанием кремнезема, как, например, габбро и диабазы, состоят из кристаллов, образовавшихся приблизительно одновременно, границы которых, следовательно, переплетаются между собой. Габбро не обладает такой способностью к кристаллизации, и средний модуль упругости Юнга у него приблизительно в 1,7 раза больше, чем у гранита. Вулканическая порода содержит обычно некоторое количество природного стекла и поэтому более хрупка, чем полнокристаллические породы. Так как базальтовые породы обычно бывают преимущественно кристаллическими, они менее хрупки, чем риоли-товые вулканические породы, которые состоят главным образом из стекла.

Осадочные породы образуются в результате постепенного накопления выветрившихся и вымытых из поверхности земли зерен, которые переносятся ветром, водой или льдом. Поэтому эти зерна не переплетены между собой и остаются в таком состоянии, если не подвергаются давлению и уплотнению под действием геологических процессов или вышележащих слоев, а также не цементируются минеральным веществом, отложившимся в межзерновых порах. Зерна могут быть очень крупными, как в конгломератах, или очень мелкими, как в сланцах и многих известняках. Внутренняя структура может быть массивной или, если осадки различаются по размеру зерен и составу, слоистой. Зерна, образующие осадочные породы, представляют собой частицы пород или минералов, отложившихся в виде гальки, песка, ила или глины; они могут быть также минералами, осажденными из воды океанов, озер или потоков. Вторичные цементирующие вещества выделились из почвенных вод; обычно это — углекислый кальций, кремнезем и окислы железа. Осадочные породы могут быть твердыми или мягкими, прочными или слабыми, водопроницаемыми или водонепроницаемыми, в зависимости от текстуры, структуры и состава.

Метаморфические породы образуются в результате разрушения, измельчения и перекристаллизации изверженных или осадочных пород в условиях повышенной температуры, высокого давления или сильного сдвигающего напряжения. Перекристаллизация происходила постепенно путем растворения старых и осаждения новых минералов; породы в течение всего процесса оставались по существу твердыми. В условиях высокой температуры и высокого давления возникали эквизернистая текстура и массивная внутренняя структура; порода характеризовалась сравнительно большой прочностью и твердостью благодаря тесно сросшимся и переплетенным между собой зернам. Образовавшиеся таким образом породы содержат много кварцитов и контактных роговиков. Метаморфические породы, образовавшиеся в условиях сильного сдвигающего напряжения, имеют ясно выраженную структуру, характерную для кристаллических и слоистых сланцев, филлитов и гнейсов. Так как эти породы состоят по существу из отдельных зон, содержащих ориентированные чешуйчатые или призматические минералы, они легко раскалываются вдоль этих структурных . плоскостей, образуя обломки в виде пластинок или осколков.

Доменные шлаки аналогичны по своей текстуре и структуре изверженным породам, так как тоже образуются путем застывания расплавленного вещества. В зависимости от скорости охлаждения доменные шлаки содержат больше или меньше стекловидной фазы по отношению к кристаллической. Доменные шлаки с высоким содержанием стекловидной фазы обладают меньшей твердостью и большей хрупкостью, чем кристаллические шлаки.

Легкие заполнители представляют собой природные или искусственные материалы, дающие бетон с низким удельным весом. Они характеризуются большой пористостью. К природным легким заполнителям относятся: пемза, вулканический шлак, вулканические пеплы, туфы и диатомиты. Легкие заполнители могут быть изготовлены искусственно путем вспучивания глины, глинистого сланца, диатомитового сланца, вермикулита или вулканических стекол, перлита и обсидиана. Промышленные золы, представляющие собой остаток от сгорания при высокой температуре угля или кокса, также применяются в качестве легких заполнителей. Вспученный доменный шлак изготовляют несколькими способами.

Минералогический состав горных пород для заполнителей

Изверженные породы состоят из кристаллов и стекла, возникших из первоначально расплавленного вещества, а также вторичных минералов, образовавшихся в результате гидротермальных изменений и выветривания первичных компонентов. В сущности все кристаллические изверженные породы состоят полностью или преимущественно из небольшой группы силикатных минералов с кремнеземистым стеклом или без него. Минералы, составляющие большую часть изверженных пород, это — калиевые полевые шпаты (главным образом ортоклаз, микроклин и санидин), плагиоклазовые полевые шпаты (от альбита до анортита), кварц, пироксены, амфиболы, слюды, оливин и фельдшпатоиды (преимущественно нефелин и лейцит). Размеры и соотношение минералов и стекла зависят от состава расплавленной магмы и условий формирования породы.

Изверженные породы часто меняются химически и минералогически в результате гидротермального и пневматолитиче-ского действия или выветривания. В результате этих процессов, которые могут происходить вскоре или много времени спустя после затвердевания породы, исходные минералы и стекло разрушаются, а вместо них образуются новые. Глинистые минералы, цеолиты, вторичный кварц, тридимит, кристобалит, сульфиды, опал, халцедоны, окислы железа и много других веществ могут образоваться в изверженных породах; в этом случае их физические и химические свойства будут изменены.

В результате возросшего давления, высокой температуры и сдвигающего напряжения первоначальные компоненты изверженных пород постепенно изменялись с образованием новых структур и текстур, что привело к дифференциации метаморфических пород.

Осадочные породы состоят из отложившихся самостоятельно частиц минералов и пород, а также из веществ, выделившихся из поверхностных вод, и из вторичных веществ, отложенных в промежутках почвенными водами. Первоначальные компоненты осадочных пород включают минералы и породы любого происхождения и любого размера. Из-за большого разнообразия этих пород не удалось разработать общепринятую систему их классификации. Наиболее часто применяемая классификация основана на крупности зерен, минералогическом составе, структуре и других характеристиках.

Осадочные породы могут изменяться под действием гидротермальных или пневматолитических факторов, выщелачивания или осаждения вещества минералов почвенными водами, а также’ разложения в результате атмосферных влияний. Промежуточными, цементирующими веществами обычно служат: карбонат кальция (особенно кальцит), кварц, окислы железа, халцедон и опал. Глина также может являться связующим материалом, но обычно она представляет собой первоначальный компонент осадка или продукт разложения исходного вещества породы.

Метаморфические горные породы состоят из минералов, образовавшихся в результате перекристаллизации первоначальных осадочных или изверженных пород из веществ, полученных в результате действия гидротермальных или пневматолитических факторов, и из минералов, возникших в результате выветривания. В зависимости от условий давления, сжатия, температуры л химического состава окружающих пород образуются самые разнообразные скопления минералов различной структуры и текстуры. К основным компонентам метаморфических горных пород принадлежат: серицит, хлорит, графит и андалузит в кремнистых сланцах и филлитах; амфиболы, слюды, эпидот и кордиерит в гнейсах; пироксены, гранаты, кальцит и оливин в гранулитах. Кварцы и полевые шпаты являются обычными компонентами большинства метаморфических пород; состав полевых шпатов колеблется в зависимости от условий метаморфизма.

В результате действия гидротермальных или пневматолити-ческих факторов и выветривания первоначальные минералы метаморфических горных пород могут разрушаться с образованием новых минералов. Действие газов и растворов на больших глубинах обычно приводит к появлению кварца, эпидота, сульфидов, турмалина и других минералов. На небольших глубинах внедрение и метаморфическое замещение может привести к образованию глин, цеолитов, опала, халцедона и многих других минералов.

Природные заполнители состоят из остроугольных и округлых частиц горных пород и минералов, образовавшихся в результате выветривания и эрозии геологических формаций в районе месторождения. Разнородность состава тем больше, чем более разнообразен геологический характер и чем обширнее район действия эродирующих и транспортирующих сил. Природные заполнители охватывают от одной до двадцати или больше пород и минералов; они могут содержать изверженные, осадочные или метаморфические породы в любой комбинации. Соотношение различных пород в природных заполнителях не соответствует их содержанию в исходных материалах, поскольку осадки приносятся в район отложения потоками, ледниками и ветрами различной силы, а также потому, что силы выветривания и эрозии оказывают неодинаковое действие на материалы, обладающие различной прочностью. В зависимости от характера и свойств породы: распределения трещин, степени трещиноватоети и характера залегания или слоистости выветрившиеся или разрушенные породы, попадающие в потоки из геологических формаций, могут быть в большей или меньшей степени однородными по размеру. Отдельные фракции песка и гравия, отлагающиеся по течению, могут значительно колебаться по составу и размеру. Но по мере удаления от районов исходных горных пород состав песка и гравия становится все более и более однородным вследствие непрерывного истирания и измельчения частиц. Песок и гравий, поступающие из притоков, изменяют состав и качество материалов в основном потоке. Эти изменения могут быть значительными или небольшими, в зависимости от относительного объема привнесенных осадков.

Песок и гравий, переносимые потоками, неодинаковы в разное время года и с течением времени постепенное изменение коренного месторождения может существенным образом отразиться на материалах, переносимых потоком. Поэтому без пред-верительного исследования нельзя решить, пригодны ли в одинаковой степени все отложения, образовавшиеся в разные периоды времени и в различных местах вдоль потока, для использования в качестве источников заполнителей.

После того как песок и гравий образовали отложения, атмосферные агенты продолжают изменять как отдельные частицы, так и целые породы, и часто совместное действие этих факторов и почвенных вод внутри отложений приводит к образованию пленок на гальке. Частицы могут быть сцементированы кремнеземистыми или известковыми веществами; в других случаях образуется слой ортштейна или известковых отложений. Можно предположить, что изменения песка и гравия в результате выветривания или образования оболочек происходили главным образом в так называемых террасовых отложениях, которые представляют собой материалы, выделившиеся из потоков в далекие геологические времена, когда русло лежало на более высоком топографическом уровне.

Из всех искусственных материалов доменный шлак наиболее широко применяется в качестве заполнителя для бетона. В настоящее время свыше 60% доменного шлака, производимого в США и первоначально считавшегося бесполезным отходом производства, так или иначе используется в промышленности. АСТМ определяет доменный шлак как «нерудный продукт, состоящий в основном из силикатов и алюмосиликатов кальция и других оснований и образующийся в доменной печи при выплавке чугуна».

Шлак представляет собой затвердевший расплав пустой породы, негорючих фракций кокса и нелетучих компонентов флюса, которые загружаются в печь. В Соединенных Штатах большая часть доменных шлаков получается на металлургических заводах Северо-Востока, а также в Алабаме, Восточном Техасе, Колорадо и Южной Калифорнии.

Существуют три основных вида доменных шлаков, различающихся по способам охлаждения: гранулированный, воздушного охлаждения и легкий шлак. Охлаждаемый на воздухе шлак медленно остывает в открытых ямах или складах. После того как он затвердел, его охлаждают, поливая струями воды, достаточно сильными, чтобы вызвать растрескивание шлака, облегчающее в дальнейшем его выемку из ямы. Гранулированный шлак представляет собой продукт с высоким содержанием стекловидной фазы, получающийся при быстром погружении шлакового расплава в воду. Легкий шлак — это сильно вспученный вид шлака, образующийся при обработке расплавленного шлака небольшими количествами воды.

По своей структуре и текстуре шлаки аналогичны вулканическим породам, но отличаются от них по химическому и минералогическому составу. Химический состав промышленных шлаков в США колеблется в узких пределах, причем кремнезем, глинозем, известь и окись магния составляют около 95% всего состава. Однако часто состав шлаков меняется от печи к печи и от плавки к плавке, что объясняется изменением руды, кокса, флюсов, скрапа и других составляющих шихты.

В зависимости от скорости охлаждения доменные шлаки содержат, кроме стекловидной фазы, различные кристаллические составные части. Кристаллизация происходит во время охлаждения шлака, начинаясь приблизительно при 1440° С и заканчиваясь застыванием остаточного стекла. Образование кристаллических соединений в значительной степени зависит от химического состава шлака. Гранулированный шлак состоит главным образом или почти полностью из стекла, в то время как охлажденный на воздухе шлак бывает более кристаллическим. Основным кристаллическим соединением в шлаке является мелилит (изоморфный ряд соединений от 2Ca0-Mg0«2Si02 до 2СаО-Al203*Si02). Другие кремнеземистые соединения включают: анортит (СаО-•Al203-2Si02), метасиликат кальция (Ca0-Si02), ортосиликат кальция (2Ca0-Si02), монтичеллит (Ca0-Mg0-Si02), форстерит (2Mg0’Si02) и мервинит (3Ca0-Mg0-2Si02). Сернистые соединения представлены сульфидами кальция, марганца и железа. Шлак, содержащий ортосиликат кальция, непригоден для использования, потому что изменение объема кристаллов с инверсией при 675° вызывает самопроизвольный распад шлака.

Зависимость свойств заполнителей от минералогического состава, текстуры и структуры

Химические и физические свойства основных пород, приведенные в табл. 33, обусловлены внутренней текстурой и структурой, а также минералогическим составом материалов. Вообще говоря, зерновой состав природных заполнителей и способность к измельчению зависят в значительной степени от тех же факторов. Текстура и структура определяются размерами, формой и взаимоотношениями отдельных кристаллов и других веществ, составляющих породу, формой, размерами и распределением разрывов (трещин или изменений в текстуре), размерами, формой, количеством и протяженностью пор. Можно считать, что минералогический состав характеризуется кристаллическими и некристаллическими минералами и стекловидными фазами, составляющими массу породы.

Взаимосвязь структуры, текстуры и состава, с одной стороны, и свойств пород, с другой, — видна из следующего примера. Химическая активность заполнителей зависит отчасти от присущей минералам растворимости или химической неустойчивости, а также от пористости, проницаемости и размеров зерен, поскольку эти характеристики текстуры и структуры определяют способность компонентов к химической активности. Точно также удельный вес горных пород зависит от абсолютного удельного веса образующих минералов и степени их уплотнения. Прочность торных пород зависит от прочности их зернистых составляющих, а также от способа оцепления или цементации, характеризующего внутреннюю текстуру. Например, граниты обладают слабыми внутренними силами сцепления текстуры, а габбро характеризуется хорошим сцеплением. Поэтому габбро хуже гранулируются и их средний модуль упругости Юнга приблизительно в 1,7 раза больше, чем модуль гранита. Таким же образом можно установить зависимость между всеми физическими и химическими свойствами и составом, текстурой и структурой пород.

Зерновой состав заполнителей зависит от текстуры и внутреннего строения коренной породы, из которой они образовались, а также от искусственных и природных процессов, которым подвергались заполнители. В естественных условиях обломки пород откалываются от материнской породы под влиянием механических и химических процессов, связанных’ с выветриванием, и затем переносятся различными путями в район отложения, что сопровождается истиранием и дополнительным выветриванием. Истирание, удары и выветривание Постепенно уменьшают размеры обломков до самых мельчайших с одновременным образованием коллоидных или растворенных веществ, преимущественно в результате химического разложения.

В большинстве случаев в материале, подвергавшемся воздействию передвигающих сил, имеются обломки всех размеров, и зерновой состав их зависит всецело от силы несущего потока в месте отложения. Меньше всего транспортирующая сила ветра: состав значительных эоловых месторождений характеризуется мелким песком и илом. Транспортирующая сила льда и силы тяжести неолраничена, так что ледниковые отложения и осыпи могут содержать материалы всех размеров. Зерновой состав морских и озерных отложений колеблется в широких размерах в зависимости от расположения и характера материалов, составляющих данное отложение. В прибрежных морских песках размеры обломков сохраняются в узких пределах в результате эффективного сортирующего действия волн и течений. Речные отложения сильно различаются по зерновому составу в зависимости от размера и уклона потока и характера увлекаемых им материалов. Обычно зерновой состав бывает наиболее удовлетворительным вдоль широких и мощных потоков, многие из которых расположены в западных штатах, включая реки Колумбию, Снэйк, Колорадо и Верхнее Миссури.

Иногда район залегания коренных пород состоит из зернистых горных пород, от размера зерен которых зависит зерновой состав отложений песка и гравия. Например, в обширных районах Канзаса, Небраски, северо-западной части Миссури и запада Айовы реки несут гравий и песок с предельной крупностью зерен приблизительно 25 мм, а фракции, остающиеся на сите 9,5 мм, содержатся в незначительном количестве. Материалы образовались главным образом из крупнозернистых гранитов западной части Скалистых гор в штатах Колорадо и Вайоминг. Эти горные породы были в значительной степени разрушены и превратились в разрозненные кристаллы кварца и полевого шпата. В другом месте максимальный размер зерен и общий зерновой состав могли быть обусловлены внутренним строением породы, как, например, напластованием и слоистостью, определяющими предельный размер обломков в потоках. Для образования однородного зернового состава заполнителей из таких материалов может потребоваться передвижение их потоком на большие расстояния.

Наряду с естественными процессами, на зерновой состав влияет также текстура и структура материалов, от которой зависит степень измельчения напластованных, трещиноватых или сланцеватых пород. Влияние этого фактора особенно сказывается на крупных частицах и в меньшей степени — на мелких.

Ваш отзыв