Surowce kamienne - Katedra Technologii Chemicznej
advertisement
2013-02-27 Technologie Materiałów Budowlanych Naturalne materiały kamienne Kamień naturalny – najstarszy materiał budowlany Właściwości: Surowce kamienne Dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej Pok. 026A, [email protected] odporność na działanie wody i mrozu • • czynników atmosferycznych duża wytrzymałość na ściskanie • • twardość odporność na uderzenie • • odporność na ściskanie podatność na obróbkę Stosowanie materiałów kamiennych w budownictwie wymaga dobrej znajomości ich właściwości wynikających z pochodzenia geologicznego oraz składu mineralnego Naturalne materiały kamienne Quiz Jakie materiały są używane w naturalnej postaci w budownictwie? Kamień • Drewno Naturalne materiały kamienne są tworzącymi skorupę ziemską (litosferę) skałami rodzimymi Skały zwarte – silnie Kruszywa naturalne – luźne związane masy skalne skupiska produktów naturalnego rozdrobnienia skał zwartych 1 2013-02-27 Klasyfikacja skał Skały magmowe Skały klasyfikuje się według: – Wieku (czasu powstawania) – Sposobu powstania (pochodzenia geologicznego) • Skały magmowe (wulkaniczne) występują jako głębinowe (np. granit, sjenit) utworzone poprzez powolne stygnięcie płynnej magmy (lawy wulkanicznej) wewnątrz skorupy ziemskiej, – Budowy (struktury i tekstury) – Właściwości fizycznych i chemicznych Stosowane w budownictwie skały najczęściej dzieli się ze względu na ich pochodzenie geologiczne na: oraz • jako wylewne (np. bazalt, porfir) powstałe w wyniku rozlania się magmy na powierzchni ziemi i szybkiego jej zastygnięcia – Skały magmowe – Skały osadowe – Skały metamorficzne Skały osadowe Powstały w wyniku osadzania się na dnie naturalnych zbiorników wodnych lub na powierzchni ziemi produktów rożnego pochodzenia: Skały metamorficzne Powstały wskutek głębokich przeobrażeń skał magmowych lub osadowych pod wpływem wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury (np. marmury, gnejsy) • materiałów okruchowych z mechanicznego rozdrobnienia skał poprzednio istniejących, np. piasków, żwirów, glin (piaskowce); • osadów nieorganicznych z roztworów przesyconych, np. siarczanów wapnia (gipsy) • pozostałości organicznych roślinnych i zwierzęcych, np. muszli, koralowców (wapienie, dolomity) 2 2013-02-27 Klasyfikacja skał Typ skał Grupa skał Magmowe głębinowe - Magmowe wylewne - Osadowe Rodzaj skał Granit, sjenit, dioryt, gabro Jakie cechy i właściwości chemiczne decydują o budowie skał ? Bazalt, diapaz, porfir, melafir, andezyt, trachit, tuf porfirowy krzemionkowe węglanowe siarczanowe ilaste okruchowe Metamorficzne Quiz - piaskowiec, piaskowiec kwarcytowy, diatomit, ziemia okrzemkowa wapienie lekkie, wapienie zbite, dolomity, margle, trawertyny, zlepieńce gips, anhydryt, alabaster gliny, iły, bentonit piaski, żwiry, pospółki (kruszywa) Odpowiedź: Skład mineralogiczny i chemiczny skał, ich struktura i tekstura stanowią podstawowe elementy opisu skał Marmury, kwarcyt, serpentynit, gnejsy, łupki Struktura Struktura skał Zespół cech określających sposób ukształtowania, wielkość i formę oraz wzajemne powiązanie minerałów skałotwórczych STRUKTURA (Ze względu na wymiar ziaren) Krystaliczna – w zależności od wielkości składników krystalicznych rozróżnia się strukturę grubo-, średnio-, drobnokrystaliczna lub skrytokrystaliczna; lub równoi różnokrystaliczna skrytoziarnista gruboziarnista średnioziarnista drobnoziarnista Ze względu na ukształtowanie minerałów: krystaliczna porfirowa szklista klasyczna granit 3 2013-02-27 Struktura Ziarnista – składniki w postaci ziaren przylegają bezpośrednio do siebie; z uwagi na wielkość ziaren rozróżnia się grubo- (> 5mm); średnio- (1-5mm) i drobnoziarniata (< 1mm) Struktura Porfirowa – pojedyncze, większe kryształy (ziarna) rozmieszczone są w drobnoziarnistej masie ciasta skalnego andezyt Struktura Szklista – powstająca przy szybkim stygnięciu magmy, w postaci niewykrystalizowanej masy szkliwa Klastyczna – charakterystyczna dla skał osadowych Tekstura Sposób przestrzennego rozmieszczenia i ułożenia minerałów w masie skalnej • Zbita – cała przestrzeń zajmowana przez skałę jest wypełniona masą skalną • Porowata – mikroporowata, komórkowa (tufy wapienne), jamista, gąbczasta (pumeks) lub pęcherzykowata szklista 4 2013-02-27 Skład mineralny • Skały składają się z minerałów – związków występujących przeważnie w postaci krystalicznej • Właściwości minerałów wywierają decydujący wpływ na cechy techniczne materiałów kamiennych oraz wygląd • W praktycznym wykorzystaniu skał bardzo ważna jest znajomość ich pochodzenia geologicznego, a także znajomość tworzących je minerałów Skład mineralny • • • • • • • • • Kwarc Skalenie Miki Pirokseny Amfibole Oliwin Węglany Siarczany Związki żelaza Kwarc (SiO2) • Krystaliczna krzemionka, o wyglądzie szklistym, tłustym połysku b • Minerał przezroczysty do szarego • Twardy (rysuje szkło) – w skali Mohsa 7 • Odporny na działanie kwasów • Główny składnik: granitów, sjenitów, piaskowców i kwarcytów a c d Cytryn: barwa żółta jest spowodowana obecnością małych wyrostków wodorotlenku żelaza Ametyst: swoją barwę zawdzięcza obecności żelaza i promieniowaniu radioaktywnemu 20 5 2013-02-27 Minerały grupy krzemionki Skalenie (glinokrzemiany wapnia i alkaliów) OPAL SiO2.nH2O ( n = 1 – 21 % H2O) Mleczny (biały, chryzopraz (zielony), szlachetny (mieniący się grą barw), ognisty (przeważający kolor czerwony). Występuje w szkieletach organizmów: okrzemek, promienic, korali, gąbek. Twardość 5,5 – 6,5. W Polsce występuje w Bystrzycy Górnej k. Świdnika, w Jordanowie k. Dzierżoniowa, w bazaltach Lubienia k. Jawora. CHALCEDON SiO2 Agat – z różnobarwnymi wstęgami, karneol - czerwonobrunatny, heliotrop ciemnozielony z czerwonymi plamkami, chryzopraz – zielony. Chryzoprazy występują w Szklarach k. Ząbkowic Śl., karneol – w okolicy Wałbrzycha. β KWARC SiO2 Allogeniczny – powstały w wyniku mechanicznego obtoczenia ziaren kwarcu z wietrzejących skał magmowych, autogeniczny – powstały w złożu najczęściej w wyniku przemiany opalu: OPAL CHALCEDON β KWARC • Ortoklaz – skaleń potasowy (K2O·Al2O3·SiO2), twardość 6, składnik granitów i sjenitów • Plagioklazy – złożone z dwóch składników: anortytu (CaO, Al2O3·2SiO2) i albitu (NaO2·Al2O3·6SiO2) • Plagioklazy kwaśne – z większa zawartością anortytu • Plagioklazy zasadowe – z większa zawartością albitu OPAL ortoklaz CHRYZOPRAZ – Szklary k. Ząbkowic Śl. albit Pirokseny Miki • Uwodnione glinokrzemiany krzemianów magnezu i żelaza anortyt potasu z domieszką • Muskowit – KAl2(OH, F)2AlSi3O10) minerał bezbarwny lub żółtawy, twardość 2, w przeszłości przezroczyste płyty muskowitu wkładano w otwory okienne w domach i na statkach Glinokrzemiany głównie wapnia i magnezu • Augit – (Al,Ca,Fe,Mg,Ti)2(Al,Si)2O6) ziarna czarne, matowe, twardość 5,5 • Biotyt – K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH,F)2 minerał czarny, twardość 2,5-3 muskowit biotyt augit 6 2013-02-27 Amfibole Glinokrzemiany głównie wapnia i magnezu • Hornblenda – (NaCa2(Mg,Fe,Al)3(SiAl)8O22(OH)2 ) minerał o postaci słupowej, ciemny, czarny, odbijający światło, twardość 5,5 Oliwin • Krzemian magnezu i żelaza (Mg, Fe)2 SiO4 • Zasadowy składnik niektórych skał wylewnych i metamorficznych, twardość 6-7 hornblenda hornblenda forsteryt Minerały węglanów Węglany • Kalcyt – (CaCO3) podstawowy składnik wapieni, marmurów, margli, białawy lub zabarwiony, twardość 3 • Magnezyt - (MgCO3) • Dolomit - (CaCO3·MgCO3) perydot Kalcyt CaCO3 Układ krystalograficzny trygonalny, twardość 3, doskonała łupliwość trójkierunkowa. Przeźroczyste kryształy to spat islandzki. Aragonit CaCO3 Układ krystalograficzny rombowy, twardość 3,5 – 4. Perły to w 82 – 86 % aragonit (+ rogowa substancja białkowa, (C32H48N2O11) konchiolina). Krystalizuje z ciepłych, gorących roztworów. W temperaturach < 50 o C przechodzi jednokierunkowo w kalcyt. ARAGONIT SPAT ISLANDZKI KALCYT ARAGONIT STALAKTYTY – Jaskinia Raj 28 7 2013-02-27 Magnezyt MgCO3 Magnezyt powstaje w wyniku wietrzenia chemicznego oliwinów i np. serpentynu 2Mg3[Si2O5](OH)4 + 3CO2 ⇒ Mg3[Si4O10](OH)2 + 3MgCO3 + H2O serpentyn talk magnezyt Rzadko występuje w kryształach (romboedry), najczęściej tworzy skupienia zbite – magnezyt ziemisty. Posiada twardość 3,5 – 4,5. Mg2+ diadochowo może być podstawiony przez Fe2+ tworząc ciągły szereg roztworów stałych o własnych nazwach. W Polsce występuje (magnezyt zbity) wśród serpentynitów w gnejsach Gór Sowich. Powstaje m.in. w wyniku dolomityzacji wapieni – działania na wapienie wód morskich lub hydrotermalnych, zasobnych w Mg2+, może stanowić również produkt sedymentacji chemicznej z silnie zasolonych wód morskich o dużym pH. Rzadko występuje w postaci dużych kryształów lub szczotek krystalicznych – częściej tworzy skupienia zbite, ziemiste. Występuje w Rędzinach i Ołdrzychowicach na Dolnym Śląsku. DOLOMIT MAGNEZYT MAGNEZYT Dolomit CaMg(CO3)2 = CaCO3.MgCO3 DOLOMIT 30 29 Siarczany Syderyt FeCO3 Minerał ten może powstawać z beztlenowych roztworów wodnych, w wyniku utleniania ulega przemianie w wodorotlenki żelaza. Twardość 3,5 – 4,5. W Polsce występuje w Rudkach k. Słupii Nowej, w okolicy Lęczycy i Starachowic. • Anhydryt – (CaSO4), twardość 3-3,5 • Gips - (CaSO4·H2O) SYDERYT NA KWARCU anhydryt gips SYDERYT 31 8 2013-02-27 Wykorzystanie kamienia naturalnego w budownictwie Związki żelaza • • • • • Przeważnie tlenki i siarczki Limonit – (2Fe2O3·3H2O) brunatny prawie czarny Hematyt – (Fe2O3) barwi skały osadowe na czerwono Magnetyt – (Fe3O4) Piryt – (FeS2) złotożółty o metalicznym połysku limonit hematyt magnetyt • Budownictwo ogólne i monumentalne • Budownictwo obiektów inżynierskich • Budownictwo drogowe piryt Budownictwo ogólne i monumentalne • Fundamenty (piaskowce, krzemieńcowe, kwarcyty, granity, głazy narzutowe) • Elewacje (granity, piaskowce, wapienie) • Nawierzchnie i schody zewnętrzne (granity, sjenity) Budownictwo obiektów inżynierskich • Budownictwo wodne/ mostowe (do wykonania filarów, przyczółków mostowych, śluz, zapór wodnych, do budowy nabrzeży) • Budownictwo lądowe (filary nośne budowli, tuneli, wiaduktów, skarp, murów oporowych , sklepień) Granity, sjenity, bazalty, andezyty 9 2013-02-27 Budownictwo drogowe • Krawężniki drogowe (granity, dolomity, kwarcyty) • Kosta brukowa (granity, porfiry, melafiry, kwarcyty) • Płyty chodnikowe (granity) • Kruszywa drogowe (tłuczeń, gryzy, wszystkie kamienie z wyjątkiem słabych skał osadowych) Kruszywa budowlane Ziarnisty materiał budowlany wykorzystywany do zapraw, betonów, mieszanek mineralno-asfaltowych, warstw nośnych nawierzchni drogowych, warstw mrozoochronnych, filtracyjnych Ze względu na uziarnienie kruszywo skalne dzieli się na: – Drobne – o wymiarze ziaren do 4 mm – Grube – o wymiarze ziaren od 4 do 63 mm Materiały kamienne o znacznej twardości, dużej wytrzymałości i zwięzłości, małej ścieralności Kruszywa naturalne – piasek – Bardzo grube – o wymiarze ziaren 63-250 mm Piaski suszone Piasek (70-90% kwarcu), produkt wietrzenia skał Piasek – 0 – 0,5 mm Piasek – 0 – 1 mm Piasek – 0 – 2 mm Piasek suszony – 0 – 0,4 mm Piasek suszony – 0,2 – 0,8 mm Piasek suszony – 0,8 – 1,6 mm 10 2013-02-27 Żwiry Żwir – 2 – 8 mm Żwir – 2 – 16 mm Żwir – 2 – 32 mm Żwir – 8 – 32 mm Kruszywa łamane Mieszanka grysowa płukana – 0 – 5 mm Mieszanka grysowa niepłukana – 0 – 8 mm Mieszanka niepłukana– 0 – 31,5 mm Mieszanka niepłukana – 0 – 63 mm Grys niepłukany – 8 – 16 mm Grys płukany – 2 - 5 mm Grys płukany – 5 – 8 mm Grys płukany – 2 – 8 mm Grys płukana – 8 – 11 mm Grys niepłukany – 16 – 25 mm Tłuczeń – 31 – 63 mm Piasek łamany – 0 – 2mm Mieszanki piaskowo- żwirowe Mieszanka – 0 – 4 mm Mieszanka – 0 – 8 mm (I i II gatunek) Mieszanka – 0 – 16 mm (I i II gatunek) Mieszanka – 0 – 32 mm (I i II gatunek) Piaski/ żwiry Skały osadowe, okruchowe Głównym składnikiem piasku jest kwarc Zastosowanie: Żwir - jako składnik betonów towarowych oraz jako materiał do podbudowy dróg, a także jako wsad do mas bitumicznych i czasem nawierzchni Piasek - do wyrobu szkła, a w budownictwie jako składnik betonu, zapraw murarskich, tynków 11
