Классификация горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Промышленное и гражданское строительство»

Контрольная работа

по дисциплине: «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Тольятти 2011

1. Классификация горных пород и породообразующих минералов

Классификация горных пород

Горной породой называют минеральную массу, состоящую из одного (мономинеральная порода) или нескольких (полиминеральная порода) минералов. Минералом называют природное химически и структурно индивидуализированное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, - продукт физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Минералы представляют собой составные части горных пород, руд и других минеральных тел, составляющих земную кору.

В зависимости от условий образования все горные породы делят на три вида: первичные, или изверженные; вторичные, или осадочные; видоизмененные, или метаморфические.

Первичные породы образовались из магмы - огненно-жидкой массы, излившейся из глубины земли и затвердевшей. Вторичные (пластовые) породы образовались в результате разрушения изверженных и других пород под влиянием температурных колебаний, действия воды и ветра. Перемещаемые водными потоками на значительные расстояния, продукты разрушения осаждались в местах менее интенсивного течения воды и в водоемах (морях и озерах) в виде пластов. Воздействия ветра и движение ледников также влияли на перемещение разрушенных пород. Растворимые в воде минералы и продукты их разрушений впоследствии осаждались из водного раствора. В состав осадочных пород входят также минеральные вещества и продукты жизнедеятельности организмов, населяющих водные бассейны. Видоизмененные породы образовались в результате глубоких изменений изверженных и осадочных пород под воздействием высоких температур или больших давлений. Под влиянием протекающих в таких условиях физико-химических процессов менялся химический и минералогический состав пород, происходила перекристаллизация минералов и видоизменялась их структура, в результате чего образовались новые породы, отличающиеся от первоначальных.

Породообразующие минералы

Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть участвует в образовании горных пород. К числу этих минералов, называемых породообразующими, относят кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, сульфаты и железисто-магнезиальные минералы. От минералогического состава горных пород в значительной степени зависят их строительные свойства. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью и химической стойкостью, например, кварц, другие имеют незначительную прочность, недостаточную химическую стойкость, способны значительно поглощать воду (гипс); третьи обладают способностью легко расщепляться по плоскостям (например, слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят. Эти свойства, а также химический состав минералов предопределяют назначение образованных ими пород в строительстве. Большая часть минералов находится в твердом состоянии и обладает преимущественно кристаллической формой.

Группы минералов:

1. Группа кварца

В наибольшем количестве в земной коре (литосфере) содержится свободный кремниевый ангидрид, или кремнезем. В состав большинства минералов он входит в виде силикатов - химических соединений с основными окислами.

Свободный природный кристаллический кремнезем встречается в виде кварца - одного из наиболее распространенных в земной коре минералов. В природе встречается минерал опал аморфной структуры, представляющий собой гидрат кремнезема.

Аморфный кремнезем активен, может соединяться с известью при нормальной температуре, тогда как кристаллический кремнезем (кварц) приобретает эту способность только под действием пара большого давления (в автоклаве) или при сплавлении.

2. Группа алюмосиликатов

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

Корунд - один из наиболее твердых минералов. Его используют для производства высокоогнеупорных материалов, он является ценным абразивом. Другой глиноземный минерал - диаспор - представляет собой моногидрад глинозема. Диаспор входит в состав бокситов - тонкодисперсных горных пород часто красного или фиолетового цвета, богатых глиноземом и используемых как сырье для производства глиноземистого цемента.

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемых алюмосиликатами. Наиболее распространенные в земной коре алюмосиликаты - полевые шпаты, которые составляют по массе более половины всей литосферы. К этой же группе минералов относятся слюды и каолиниты.

Характерная особенность всех полевых шпатов - хорошо выраженная спайность по двум направлениям. В зависимости от угла, под которым пересекаются направления спайности (прямой или близкий к нему), различают ортоклаз, или калиевый полевой шпат. Последние подразделяют на альбит, или натриевый полевой шпат и анотрит, или кальциевый полевой шпат.

Слюды представляют собой водные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Характерная их особенность - легкая расщепляемость на тонкие, гибкие и упругие листочки и пластинки. Наиболее часто встречаются следующие виды слюд: калиевая (мусковит) - светлая, прозрачная (в тонких листочках), тугоплавкая, химически стойкая; железисто-магнезиальная (биотит) - непостоянного состава, очень темного цвета (черного, бурого), легче разрушается, чем мусковит; вермикулит - гидрослюда золотисто-бурого цвета, образующаяся в результате окисления и гидратации биотита; при прокаливании вермикулит теряет воду и увеличивается в объеме в 18 - 25 раз; обожженный вермикулит применяют как теплоизоляционный материал.

Каолинит, или водный алюмосиликат представляет собой продукт выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Каолинит обычно встречается в виде белых или окрашенных рыхлых землистых или плотных масс и является основной частью глин.

3. Группа железисто-магнезиальных силикатов

Минералы, входящие в эту группу, имеют темную окраску, поэтому их часто называют темноокрашенными минералами. При большом содержании их горные породы приобретают темный цвет и большую вязкость, т. е. повышенную сопротивляемость удару. Наиболее распространенные породообразующие минералы железисто-магнезиальной группы - пироксены, амфиболы и оливин.

Пироксены, из семейства которых наиболее часто встречаются авгиты (глиноземистые пироксены), имеют плотность 3,2 - 3,6 г/см3. К амфиболам относится роговая обманка - типичный минерал изверженных пород плотностью 3,1 - 3,5 г/см3. Оливин - минерал зеленого цвета, отличающийся малой стойкостью: под воздействием различных реагентов он изменяется и в результате присоединения воды увеличивается в объеме, переходя в змеевик или серпантин. Одна из разновидностей серпантина имеет волокнистое строение и называется хризотил-асбестом, или горным льном. Хризотил-асбест состоит из тонких и прочных волокон; его широко используют в асбестоцементной промышленности и в производстве теплоизоляционных материалов.

4. Группа карбонатов

В осадочных горных породах наиболее часто встречаются породообразующие карбонатные минералы (карбонаты), важнейшие из них -кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит, или кристаллический известковый шпат один из самых распространенных минералов земной коры. Он легко раскалывается по плоскостям спайности по трем направлениям. Кальцит слаборастворим в чистой воде (0,03 г в 1 Л), но растворимость его резко возрастает при содержании в воде агрессивной двуокиси углерода, так как образуется кислый углекислый кальций, растворимость которого почти в 100 раз больше, чем кальцита.

Магнезит встречается большей частью в виде землистых или плотных агрегатов, обладающих скрытокристаллическим строением. Он тяжелее и тверже кальцита.

Доломит по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд и прочен и еще меньше растворим в воде.

5. Группа сульфатов

Сульфатные минералы (сульфаты), так же как и карбонаты, часто встречаются в осадочных горных породах; важнейшие из них - гипс и ангидрит.

Гипс типичный минерал осадочных пород. Строение его кристаллическое, иногда мелкозернистое, кристаллы пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Встречается гипс преимущественно в виде сплошных зернистых, волокнистых и плотных пород вместе с глинами, сланцами, каменной солью и ангидритом. Гипс имеет белый цвет, иногда бывает прозрачен или окрашен примесями в различные цвета.

Ангидрит по внешнему виду похож на гипс. Залегает пластами и прожилками вместе с гипсом и каменной солью. Под действием воды ангидрит постепенно переходит в гипс, при этом объем его увеличивается.

2. Влияние минералогического состава клинкера на свойства портландцемента

Минералогический состав клинкера - одна из наиболее полных и надежных его характеристик. Исследованиями ученых установлено, что почти все строительные свойства портландцемента зависят от минералогического состава клинкера. Так, цементы с повышенным содержанием в клинкере алита и целита твердеют особо быстро и в первые сроки набирают высокую прочность; они используются для изготовления быстротвердеющих портландцементов. Цементы с высоким содержанием белита и четырехкальциевого алюмоферрита твердеют медленно и выделяют при твердении мало тепла; их используют для изготовления цементов с умеренной экзотермией. Цементы с большим количеством целита быстро схватываются и твердеют в ранние сроки, но обладают пониженной морозостойкостью и стойкостью в минерализованных, в частности сульфатных, водах и т. д. Минералогический состав клинкера имеет прямую связь с основными физико-механическими свойствами цемента: он дает возможность предопределить свойства портландцемента и спроектировать его состав для бетона, предназначенного для конкретных эксплуатационных условий.

3. Применение легких бетонов в крупнопанельном и монолитном строительстве

Легкие бетоны на пористых заполнителях ввиду универсальности своих свойств применимы в различных строительных элементах зданий и сооружений. Так, из них изготовляют панели для стен и перекрытий отапливаемых зданий, выполняют конструкции как с обычным армированием, так и с предварительным напряжением (балки, прогоны, лестничные марши и площадки), а из напряженно-армированного бетона- пролетные строения мостов, ферм, плит для проезжей части мостов; из легких бетонов строят плавучие средства.

4. Теплоизоляционные материалы на основе неорганического сырья. Свойства, применение

силикат портландцемент бетон строительство

Теплоизоляционными называют материалы, применяемые в строительстве жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с целью уменьшить тепловые потери в окружающую среду. Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением и, как следствие этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м °С).

Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.

Теплоизоляционные материалы классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности.

К неорганическим теплоизоляционным материалам относят минеральную вату, стеклянное волокно, пенс стекло, вспученные перлит и вермикулит, асбестосодержащие теплоизоляционные изделия, ячеистые бетоны, и др.

Минеральная вата и изделия из нее.

Минеральная вата волокнистый теплоизоляционный материал, получаемый из силикатных расплавов. Сырьем для ее производства служат горные породы (известняки, мергели, диориты и др.), отходы металлургической промышленности (доменные и топливные шлаки) и промышленности строительных материалов (бой глиняного и силикатного кирпича).

Производство минеральной ваты состоит из двух основных технологических процессов: получение силикатного расплава и превращение этого расплава в тончайшие волокна. Силикатный расплав образуется в вагранках шахтных плавильных печах, в которые загружают минеральное сырье и топливо (кокс). Расплав с температурой 1300-1400°С непрерывно выпускают из нижней части печи.

Минеральная вата это рыхлый материал, состоящий из тончайших переплетенных минеральных волокон и небольшого количества стекловидных включений (шариков, цилиндриков и др.), так называемых корольков. Чем меньше в вате корольков, тем выше ее качество.

В зависимости от плотности минеральная вата подразделяется на марки 75, 100, 125 и 150. Она огнестойка, не гниет, малогигроскопична и имеет низкую теплопроводность 0,04 - 0,05 Вт (м °С).

Минеральная вата хрупка, и при ее укладке образуется много пыли, поэтому вату гранулируют, т.е. превращают в рыхлые комочки - гранулы. Их используют в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий. Сама минеральная вата является как бы полуфабрикатом, из которого выполняют разнообразные теплоизоляционные минераловатные изделия: войлок, маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты и др.

Стеклянная вата и изделия из нее.

Стеклянная вата материал, состоящий из беспорядочно расположенных стеклянных волокон, полученных из расплавленного сырья. Сырьем для производства стекловаты служит сырьевая шахта для варки стекла (кварцевый песок, кальцинированная сода и сульфат натрия) или стекольный бой.

Из стекловолокна выполняют маты, плиты, полосы и другие изделия, в том числе тканые.

Пеностекло - теплоизоляционный материал ячеистой структуры. Сырьем для производства изделий из пеностекла (плит, блоков) служит смесь тонкоизмельченного стеклянного боя с газообразователем (молотым известняком).

Пеностекло обладает рядом ценных свойств, выгодно отличающих его от многих других теплоизоляционных материалов: пористость пеностекла 80-95 %, размер пор 0,1-3 мм, плотность 200-600 кг/м3, теплопроводность 0,09-0,14 Вт/(м, /(м °С), предел прочности при сжатии пеностекла 2-6 МПа. Кроме того, пеностекло характеризуется водостойкостью, морозостойкостью, несгораемостью, хорошим звукопоглощением, его легко обрабатывать режущим инструментом.

Пеностекло в виде плит длиной 500, шириной 400 и толщиной 70-140 мм используют в строительстве для утепления стен, перекрытий, кровель и других частей зданий, а в виде полуцилиндров, скорлуп и сегментов - для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей, где температура не превышает 300°С. Кроме того, пеностекло служит звукопоглощающим и одновременно отделочным материалом для аудиторий, кинотеатров и концертных залов.

Асбестосодержащие материалы и изделия.

К материалам и изделиям из асбестового волокна без добавок или с добавкой связующих веществ относят асбестовые бумагу, шнур, ткань, плиты и др. Асбест может быть также частью композиций, из которых изготовляют разнообразные теплоизоляционные материалы (совелит и др). В рассматриваемых материалах и изделиях использованы ценные свойства асбеста: температуростойкость, высокая прочность, волокнистость и др.

Алюминиевая фольга (альфоль) - новый теплоизоляционный материал, представляющий собой ленту гофрированной бумаги с наклеенной на гребне гофров алюминиевой фольгой. Данный вид теплоизоляционного материала в отличие от любого пористого материала сочетает низкую теплопроводность воздуха, заключенного между листами алюминиевой фольги, с высокой отражательной способностью самой поверхности алюминиевой фольги. Алюминиевую фольгу для целей теплоизоляции выпускают в рулонах шириной до 100, толщиной 0,005- 0,03 мм. Практика использования алюминиевой фольги в теплоизоляции показала, что оптимальная толщина воздушной прослойки между слоями фольги должна быть 8- 10 мм, а количество слоев должно быть не менее трех. Плотность такой слоевой конструкции из алюминиевой (фольги 6-9 кг/м3, теплопроводность - 0,03 - 0,08 Вт/(м °С). Алюминиевую фольгу употребляют в качестве отражательной изоляции в теплоизоляционных слоистых конструкциях зданий и сооружений, а также для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре 300°С.

Задача

Наружная поверхность кирпичной стены толщиной a = 51 см имеет температуру t = -33 градуса, а внутренняя t = 18. Какое количество тепла проходит через каждый квадратный метр поверхности стены за 1 час? Решить эту задачу для стен такой же толщины из шлакобетона и тяжелого бетона. Коэффициенты теплопроводности принять: для кирпича - 0,58, шлакобетона - 0,5, тяжелого бетона - 1,2 Вт.

Решение:

где Q - теплопередача Дж;

л - коэффициент теплопроводности, Вт;

t1 - температура наружной поверхности стены, oС;

t2 - температура внутренней поверхности стены, oС;

a - толщина стены, м;

ф - время прохождения теплового потока, ч;

S - поверхность стенки, м2.

Размещено на Allbest.ru