К физико-химическим относят свойства, которые проявляются в материалах на границе раздела двух или нескольких фаз при кристаллизации, адгезии, когезии, сорбции, адсорбции, абсорбции, хемосорбции и т. п.

Кристаллизация — процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из веществ, находящихся в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Начинается и протекает при определенных условиях — перенасыщении растворов, охлаждении расплавов и т. д.

Адгезия (прилипание) — свойство одного материала прилипать к поверхности другого за счет появления и развития молекулярных связей в зоне их контакта. Проявляется при взаимодействии орга­нических и минеральных вяжущих с каменными материалами, склеивании деталей, при нанесении лакокрасочных покрытий и др. Велико значение адгезии при получении водоустойчивых асфальтобетонных смесей.

Когезия — притяжение (межмолекулярное взаимодействие) между частицами твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Благодаря силам когезии вяжущего вещества и твердых тел образуются и существуют устойчивые структуры строительных конгломератов. Когезия имеет большое практическое значение при выборе вяжущих веществ, способов производства и использования дорожно-строительных материалов. Она наиболее сильно проявляется в твердых телах и жидкостях, которые характеризуются предельно малыми расстояниями между образующими их молекулами, ионами и атомами.

Сорбция — поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества (газов, паров и растворенных веществ) из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое — сорбатом. Важнейшие твердые сорбенты, способные к регенерации и применяемые в технике — активные угли, силикагель, цеолиты, иониты. Разновидностями сорбции являются адсорбция, абсорбция и хемосорбция.

Адсорбция — поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. Это поглощение протекает на границе раздела фаз: твердое тело — жидкость; твердое тело — газ (пар); жидкость — жидкость; жидкость — газ (пар). Адсорбенты обычно имеют большую удельную поверхность — до нескольких сотен квадратных метров на грамм.

Грунты, цемент, известь и другие дорожно-строительные материалы поглощают влагу из воздуха и под действием ее меняют влажность и активность. Так, содержание влаги, поглощенной грунтом, практически достигает молекулярной влагоемкости. Цемент еще более способен к поглощению влаги из воздуха. При хранении без упаковки он теряет вяжущие свойства, гидратируется.

Адсорбция играет положительную роль при укреплении грунтов вяжущими, введении в бетонные смеси и растворы пластифицирующих и активирующих добавок.

Абсорбция — поглощение какого-либо вещества из окружающей среды всей массой поглощающего тела (абсорбента), т. е. объемное поглощение жидкостью или твердым телом. Абсорбция жидким абсорбентом какого-либо компонента из газовой смеси — растворение, из жидкой — экстракция. Явление абсорбции используется во многих производствах строительных материалов, при очистке газов, получении новых продуктов.

Хемосорбция — поглощение вещества поверхностью какого-либо тела (хемосорбента) в результате образования химической связи между молекулами вещества и хемосорбента.

Гигроскопичность — свойство материалов поглощать (сорбировать) влагу из окружающей среды. Обусловлена химическими реакциями, в которые вступает сорбент и вода, конденсацией паров воды на поверхности частиц, образованием жидкой фазы в капиллярах, порах, микротрещинах и в местах контакта частиц между собой.

Для данного материала гигроскопичность изменяется при изменении влажности и температуры окружающей среды. Учитывается при расчетах влагоизоляции, при оценке долговечности конструкций, при организации хранения и транспортировке многих дорожно-строительных материалов (цемента, навести и др.).

Лекция 2

 ПРИРОДНЫЕ 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 проектами при получении искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.), для чего их подвергают сложным видам механической и химической переработки.

Классификация горных пород

Горной породой называют минеральную массу более или менее постоянного состава и структуры, образующую самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Горная порода может состоять из одного или нескольких минералов.

Если в состав породы входит один минерал, то такую породу называют простой или мономинеральной, а если порода содержит несколько минералов, то ее называют сложной или полиминеральной.

Качественной характеристикой свойств горных пород является ее структура, характеризуемая морфологическими особенностями отдельных минералов, размерами и формой их зерен, а также пространственным взаимным расположением. Структура горной породы зависит от условий ее формирования. Различают структуры ячеистые, зернистые (крупнозернистые — размер зерен 5...20мм; среднезернистые — 3...5мм; мелкозернистые — 2...3мм; тонкозернистые — менее 2мм), пегматитовые, стекловидные, порфировые, аморфные и др. Породы, имеющие различную структуру, отличаются физико-механическими и технологическими свойствами. Породы с однородной мелкозернистой или тонкозернистой структурой обладают высокой прочностью и стойкостью против выветривания, хорошей колкостью и полируемостью. Крупнозернистая и порфировая структуры указывают на более низкие показатели физико-механических свойств горной породы по сравнению с мелкозернистыми. Породы со стекловатой структурой отличаются повышенной хрупкостью.

Текстура — сложение породы, характеризуемое взаимным расположением входящих в ее состав минералов, ориентировкой частиц, а также способом заполнения пространства. Текстурные признаки отражают перемещение и преобразование вещества в процессе формирования горной породы. Основные типы текстуры — массивная и слоистая. Различают также текстуру плотную, полосчатую, сланцеватую, пористую, ячеистую и др. Наиболее качественные материалы (облицовочная плитка, щебень, шашка для мощения, брусчатка и др.) получаются из горных пород с плотной текстурой.

По происхождению горные породы подразделяются на магматические, или изверженные, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы возникли в результате застывания и кристаллизации огненно-жидкого силикатного расплава магмы. Они бывают двух типов: интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся). Первые сформировались в недрах земли при медленном охлаждении и высоком давлении произошла полная кристаллизация минералов. Эти породы отличаются высокими прочностью, твердостью, ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. К интрузивным горным породам относятся - граниты, сиениты, габбро, диориты и др.

Эффузивные горные породы образовались на поверхности земли в результате быстрого остывания магмы, при низком давлении и интенсивном выделении газов и паров. Это породы с порфированой, стекловатой или плотной (афанитовой) структурой.

Текстура их флюидальная (со следами течения магмы), пористая и пузырчатая, миндалекаменная, реже массивная. Во многих случаях по ряду показателей эффузивные породы уступают интрузивным. К эффузивным породам относятся: кварцевый порфир, андезиты, диабазы, базальты и др.

Изверженные горные породы в основном состоят из кремнезема. В зависимости от его содержания они подразделяются на ультракислые (массовая доля SiO ₂ больше 75%), кислые (75 65%), средние (65...52%), основные (52...40%) и ультраосновные (менее 40%). Текстура - в основном массивная, а иногда шлаковая миндалевидная и флюидальная. Трещины разделяют массив на отдельности: плитчатые (гранит, сиенит), столбчатые (базальты) и шарообразные.

Осадочные горные породы возникли в результате физического и химического разрушения земной коры, скопления продуктов жизнедеятельности организмов или одновременного действия этих факторов.

В зависимости от условий образования осадочные горные породы подразделяются на обломочные, химические и органогенные. Осадочные породы, как правило, залегают в виде пластов, поэтому их иногда называют пластовыми.

Обломочные породы образовались в результате выветривания магматических горных пород и минералов с последующим переносом материала водой, ветром или льдом и отложением его в других местах. Эти породы состоят из обломков различных пород и крупности, по форме обломков делятся на окатанные и угловатые. Они залегают как в рыхлом, так и в уплотненном (сцементированном) состоянии. К рыхлым разновидностям относятся валуны, галька, гравий, дресва, песок и другие, а к уплотненным — конгломераты, брекчии и песчаники.

Среди пород химического и органогенного происхождения, которые образовались в результате выпадения химических осадков из водной среды или жизнедеятельности и отмирания живых организмов, наибольший интерес для строительных целей представляют две группы — карбонатные и кремнистые.

К карбонатным породам относятся известняки и доломиты, которые применяются в строительстве в качестве каменных материалов, а также для получения вяжущих веществ.

Кремнистые породы (диатомиты и трепелы) встречаются в виде плотных и рыхлых скоплений. Это породы морского происхождения. Они используются в качестве полировального материала, гидравлической добавки при получении вяжущих и для других целей.

Метаморфические горные породы образовались в толще земной коры из осадочных или изверженных горных пород под влиянием высоких температур (100...900°С) и давления (10...1000 МПа), которое создается от вышележащих слоев горных пород. В процессах метаморфизма принимают участие водные растворы, содержащие углекислоту, щелочные металлы и другие летучие и хорошо растворимые минеральные вещества.

Под влиянием высоких температур частично изменяются минералогический состав и структура пород. Давление вышележащих слоев приводит к изменению в основном структуры и текстуры. Водные растворы влияют на химические и минералогические свойства породы. В зависимости от преобладания тех пли иных факторов, обусловливающих коренные изменения в горных породах, различают следующие типы метаморфизма: контактный, дислокационный и региональный.

Метаморфические горные породы содержат две группы минералов: остаточные, т. е. минералы исходных изверженных или осадочных пород, и сформировавшиеся в процессе метаморфизма.

К важнейшим метаморфическим горным породам относятся: гнейс, гранулит, мрамор, кварцит, все разновидности сланца, филлит, эклогит, амфиболовый роговик и др.