Источник: http://vodospad.kiev.ua/articles/stone-construction/izvestnyak_12_10_10.html
Из всех горных пород известняк является наиболее широко применимым в качестве строительного материала. В строительстве известняк играет громадную роль не только в качестве природного каменного материала, но также и в качестве вяжущего материала, производимого цементной и известковой промышленностью. Кроме того, он выходит за рамки строительного материала и в достаточно широкой мере применяется в металлургии в качестве флюса, а также в химической и пищевой промышленности. В силу такого разностороннего применения известняка, его добыча во многих странах достигает громадных размеров и составляет величину от десятков до сотен миллионов тонн известняка в год.
Известняки представляют собою весьма распространенную, иногда довольно сложную по своему составу горную породу. Совершенно чистый известняк — это химическое соединение металла кальция (Ca) с углеродом (С) с кислородом (О) – СаСО3. Если его нагреть до температуры 800-900°C, то он разлагается на две части: на углекислый газ СО2 и окись кальция СаО (негашеная известь), причем газ составляет 44% а окись кальция – 56% от веса всего известняка. Чистые известняки встречаются в природе довольно редко. В виде примеси в них часто обнаруживаются: магнезия, кремнезем, окислы железа, глина, а иногда и серный колчедан.
Требования, предъявляемые к известняку со стороны цементной и известковой промышленности, сводятся главным образом к тому, чтобы известняк не содержал вредных химических примесей, в особенности магния. Известняки, в которых содержание окиси магния превышает 3 — 4% уже являются не подходящими для обжига на приготовление цемента или извести. Несмотря на широкое распространение известняков, указанное требование на его чистоту далеко не всегда удовлетворяется месторождениями. Кремнезем проявляется в известняке преимущественно в двух видах: в одних случаях он как бы тесно перемешан с известняком; известняк тогда принимает синеватый оттенок и большую твердость. В других случаях кремнезем проявляется в известняке в виде различного рода стяжений округленных форм, обычно темно-серого цвета. Такие стяжения называют кремнем. Глина как примесь к известняку, проявляется также в двух видах: а)глина залегает в месторождении известняка прослойками, незначительной мощности (чаще по трещинам или по плоскостям напластования) б)глина тесно перемешана с известняком настолько, что механическим путем их разделить нельзя. Если содержание глины в известково-глинистой породе не превышает 15%, то она называется — «мергелистый известняк»; при содержании глины в известняке от 15 до 30% породу называют «мергелем», а выше 30% — «глинистым мергелем».
Мергель представляет интерес для добычи чаще всего не как строительный камень, a как материал для производства цемента. Известно, что сырьем для этого вяжущего строительного материала чаще всего служит искусственная смесь известняка и глин — определенных количеств, качества и химического состава. Но при производстве цемента предпочтение чаще всего отдается природным известково-глинистым породам — мергелям, которые при их переработке дополняются только небольшими добавками недостающих частей для производства цемента — глиной или известняком. В природе встречаются и битуминозные известняки, окрашенные в серые, а иногда и в черные цвета, обладающие характерным запахом нефти. Такого рода темное битуминозное вещество является видоизмененным остатком органического материала от тех организмов, которые дали начало этому известняку.
Все известняки представляют собой агрегаты (сочетания) только одних зерен минерала кальцита, или зёрен кальцита в сочетании скрепляющим их цементным. Наблюдаемый разброс технических характеристик различных сортов известняка веществом зависит прежде всего от величины, формы и особенно, способа соединения между собою отдельных частиц кальцита. Эти причины и обуславливают ту или иную прочность и пористость известняка, а следовательно и устойчивость его против выветривания.
Вода в почвах, в реках, озерах, болотах, ручьях, а также морей и океанов содержит в себе различные количества растворенных кислот. Этих кислот то очень много, то очень мало. Особенно большое значение для известняка имеет так называемая угольная кислота СО2. Вода, содержащая в себе растворенную угольную кислоту, приобретает свойство растворять известняк, подобно тому, как вода растворяет соду или сахар. Протекая по земной поверхности такая вода вбирает в себя растворенную ею известь, и несет ее в реки, впадающие затем в морские бассейны.
В морской воде живет очень большое количество самых разнообразных животных организмов: больших и малых. В образовании известняков большую роль играют именно малые простейшие организмы, так называемые корненожки (фораминиферы). Эти живые существа размножаются необыкновенно быстро и быстро умирают. Огромными количествами они населяют морскую воду. Особое свойство этих маленьких организмов, или микроорганизмов, заключается в том, что они способны извлекать из воды растворенную в ней известь и отлагать ее в виде ракушек, или защитных панцирей на своем теле. Также собирают растворенную в воде известь и многие другие более крупные организмы, как например двустворчатые ракушки, живущие в реках, ракушки морей и другие морские животные. Мелкие организмы, массами оседая после своей смерти на дно моря, образуют из своих скелетов целые пласты известняка. Сначала эти скопления напоминают ил, но с течением времени под тяжестью воды масса этого ила все более прессуется, становится очень прочной и превращается в камень. Если взять кусок такого камня и внимательно его осмотреть, то в нем можно увидеть целый ряд отдельных раковин различной формы и размеров, спрессованных между собою в плотную массу. В мелу эти раковины настолько малы, что различить их простым глазом уже невозможно. Заметны они бывают только в микроскоп при большом увеличение. В некоторых же сортах известняков, например в мраморах, отдельных раковин уже увидеть нельзя даже при помощи микроскопа. Условия образования известняков весьма различны. Одни из них образуются в глубоком море, другие в мелком. Они могут образоваться недалеко от берега, или недалеко от впадения в море большой реки, приносящей песок и глину, отчего coстав и свойства известняков самые разнообразные бывают.
Известняки в земной коре встречаются обычно огромными массами. Они бывают в виде небольших пластов, а иногда образуют залежи большой толщины, или мощности. Пласты известняков обычно тянутся на большие расстояния, измеряемые сотнями километров, при этом известняки в одном каком-либо месте не всегда одинаковы по составу во всей своей толщине. Месторождение известняков обычно состоят из отдельных пластов, отличных по своим качествам, плотности, мощности и составным частям. Мощность отдельных наслоений известняка изменяется от нескольких сантиметров до нескольких метров. Пласты известняка иногда чередуются с пластами глин, песков и других горных пород. Разновидность известняков — мел — образует пласты мощностью, доходящей до 100 м без прослоек других пород. Но свойства мела на разной глубине в месторождениях также неодинаковы. При своем образовании известняки чаще всего залегали горизонтально. В тех местах, где потом образовались земные складки — горные хребты и горы, — пласты известняков изогнуты, и в таких случаях они располагаются уже не горизонтальными, а наклонными пластами. Наклон пластов бывает различный в зависимости от характера образовавшихся гор. Пласты известняков, находящиеся близко к поверхности, размываются речными и атмосферными водами. На их поверхности образуются холмы, овраги и ямы, напоминающие воронки. Местность, где на поверхность выступают размытые известняки, имеет своеобразный характер. Такой ландшафт или вид называется карстовым.
Большинство пластов известняка пронизано сетью больших и малых, горизонтальных и вертикальных трещин. Благодаря этим трещинам добыча известняка очень облегчается. По этим же трещинам при добыче известняка взрывом получаются куски такой величины, какую они имели в природном залегании до взрывных работ. Трещины в известняках обычно заполнены глиной, песком, мергелем и другими вмещающими породами. Причины образования трещин в известняках недостаточно изучены. Считается, что они могли получиться от высыхания, изменения давления, а также температурных воздействий.
Известняки различаются между собой:
Различаются известняки и по составляющим их элементам: чистые известняки, доломитизированные, кремнистые, глинистые, песчанистые, битуминозные (пахучие с содержанием нефти), асфальтовые, фосфоритовые, железистые и др. По составу организмов, из которых известняк образовался, различают: ракушечник, фузулиновый известняк (напоминающий окаменевшую рожь), нумулитовый - состоящий из очень мелких кружков, как бы монетки. По применению различают следующие известняки: строительный, цементный, для удобрений, флюсовый (для металлургических целей), архитектурный и химический известняки. Общепринятой классификации известняков, основанной на каком-либо одном принципе, нет.
Кальцит (СаСО3) — один из самых распространённых минералов земной коры, встречающийся в самых разнообразных формах. Собственно кальцит — это углекислый кальций. Это обычно прозрачный, бесцветный со стеклянным блеском минерал, заполняющий собой в аморфном виде и своими кристаллами щеток и друзами пустоты и трещины в различных, содержащих его горных породах. Бесцветный кальцит с совершенной спайностью, раскалывающийся по трем направлениям, называется известковым шпатом. Прозрачный известковый шпат обладает ценнейшим свойством – удваивать рассматриваемые через его пластинки изображения и предметы. Он применяется в специальных оптических приборах и необходим для исследования минералов (призмы Николя).
Зольнхофенский плитняковый известняк (иногда его ошибочно называют зольнхофенским сланцем) — желтоватая тонкослоистая осадочная карбонатная порода. Благодаря равномерно-мелкозернистой структуре отдельные отборные по качеству плиты используются для литографской печати (отсюда другое название породы — литографский сланец). Кроме того, его применяют для покрытия полов и облицовки стен. Плитняковые известняки часто несут моховидные украшения, так называемые дендриты. Это не растительные остатки или отпечатки растений, а выделения оксидов марганца. С миром растений они имеют столь же мало общего, как и морозные цветы на оконных стеклах. Они образуются при участии фильтрующейся воды, развиваясь преимущественно по стенкам трещин и на поверхностях напластования мелкозернистых известняков в результате предпочтительного роста вершин и ребер кристаллов. В зольнхофенских плитняковых известняках присутствует множество окаменелостей.
Разновидности кальцита: плотный известняк, состоящий из мельчайших раковин и других остатков, видимых в большинстве случаев простым глазом; раковистый известняк (ракушечник), состоящий из масс сцементированных, видимых глазом ракушек; известняки нумулитовый; фузулиновый и т. п., состоящие из остатков морских организмов (с известковыми панцирями); мел — землистая разновидность кальцита, — состоящий из микроскопических ракушек и микроскопических остатков морских организмов; зернистые кристаллические известняки, подвергшиеся метаморфизации в условиях высоких температур и давлений; плотный скрыто-кристаллический известняк, называемый литографским камнем, широко применяемый в литографском деле; сталактиты и сталлагмиты (натечный известняк), часто находимые в пещерах; известковые туфы — известняки, отлагаемые водными источниками. Все эти перечисленные известняки представляют собою разновидности того же кальцита, получившие, в зависимости от физических и механических свойств, а иногда и примесей, самое разнообразное применение — от строительного дела, применения в химической промышленности до использования в точнейших оптических приборах. Наконец имеется минерал доломит (смесь СаСО3 и MgCO2), представляющий собой соединение кальцита (углекислого кальция) с магнезитом (углекислым магнием) и применяемый в металлургической и в химической промышленностях.
Плотный известняк – название очень неопределенное. Под этими известняками понимают обычно распространенные разновидности, слагающие целые пласты и идущие для разных технических целей в зависимости от их физических свойств и химического состава. Наиболее часто они применяется в качестве бута.
Мрамор — кристаллический зернистый известняк. С древнейших времен мрамор известен как красивейший строительный и поделочный материал и ценящийся за свои качества (способность принимать красивую полировку и оказывающий высокое сопротивление его сжатию).
Мрамор — это плотная разновидность известняка, образовавшийся, как полагают, из обычного известняка путем преобразования в метаморфическую породу под влиянием большого давления и высокой температуры, по виду похожий на излом кускового сахара. Величина зерен в нем колеблется от ничтожных, заметных только под микроскопом, до зёрен более крупных, видимых простым глазом. По своему весу мрамор тяжелее воды в 2,7 и 2,9 раза, иначе говоря, его удельный вес равен от 2,7 до 2,9. Мрамор при небольшой толщине просвечивает, а после полной полировки пропускает свет на глубину до 4 см. Мрамор имеет широкое применение, от общестроительных работ и производства разного рода изделий (поделок), до применения в электротехнике, вследствие его электроизоляционных свойств.
Мраморовидный известняк. В отличие от мрамора, целиком состоящего из разноразмерных зерен кристаллов, мраморовидные известняки отличаются тонкозернистым или совершенно плотным строением. Некоторые твердые полукристаллические известняки хорошо полируются. В таком виде они похожи на мрамор, за что и получили название мраморовидных. Однако под микроскопом мрамор легко отличается от мраморовидных известняков по своему строению. Мраморовидные известняки употребляются в качестве облицовочного материала (дворцы, музеи, театры и т. д.), а также в виде прочного и водоустойчивого бута.
Мергель (глинистый известняк). В тех местах, где в моря или в озера впадают реки, совместно с впадающими на дно скорлупками микроорганизмов осаждаются и глинистые массы, приносимые рекою. Мельчайшие частицы глины перемешиваются с мельчайшими частицами известняка. Подобное явление можно наблюдать у берегов, а также на отмелях, где волнами уносятся далеко от берега глинистые массы, образующиеся от разрушения берегов. Эти условия дают возможность образования так называемых мергелей, или попросту — глинистых известняков. Пласты мергелей очень часто чередуются с пластами плотных известняков и образуют большие толщи. Мергели имеют различную окраску и всевозможные оттенки. Свойства их весьма различны. Обычно это некрепкие породы, которые при высыхании легко рассыпаются. Присутствие глины в них легко узнается по характерному для нее запаху. Мергели очень разнообразны по своему составу. Большой известностью пользуются Амвросиевские мергели на Украине. На базе этих мергелей образовались крупнейшие цементные заводы, работающие на местном сырье — природных смесях известняка и глины.
Мел. Мел относится к землистым известнякам. Он состоит из мельчайших остатков организмов, так называемых фораминифер, и обломков панцирей других животных. При примесях глинистых веществ образуются меловые мергели. Мел является отложением не глубокого моря. Отложения мела характерны для целой эпохи, называемой меловой период, на протяжении которой образовались большие скопления мела. Мел является почти идеальным сырьевым материалом. Для производства цемента он практически идеален. Дробить его почти не надо, а иногда возможно совсем обойтись без механического измельчения в дробилках. Многие цементные заводы работают на известняках меловой системы. Колоссальные залежи мела имеются к северу от г. Харькова (Белгород) — это часть огромной полосы меловых залежей, идущей от Карпат к Аральскому морю. Большие залежи имеются также в Крыму.
Исландский шпат представляет собою кристаллическую разновидность известняков, напоминающую по прозрачности стекло. По своему составу это один из наиболее чистых известняков. При раскалывании кусков исландского шпата, последние рассыпаются на кусочки, форма которых построена по одному и тому же закону. Кроме совершенно прозрачных разновидностей, встречаются кристаллы с разными примесями, дающими им различную окраску и понижающими ценные качества исландского шпата. Исландский шпат встречается довольно редко в виде отдельных скоплений в других породах.
В настоящее время известняки применяются для следующих целей:
1. Непосредственно для строительства — в качестве строительных камней.
2. Для производства извести и цемента.
3. Для флюсов (в металлургии).
4. Для кирпичного производства.
5. В качестве удобрений.
6. Для изготовления щебня.
7. Для производства карбида кальция.
8. Для скульптурных целей.
9. В химической промышленности и в производстве соды.
10. Для стекольного, фарфорового, резинового, мыловаренного производств.
11. В коксогазовой промышленности и др.
Известняки в строительстве используются:
1. Для бутовой кладки, кладки цоколей, стен, и в целом зданий;
2. Для покрытия полов и изготовления подоконников;
3. Для изготовления лестничных ступеней и т. д.
В качестве бута употребляются следующие известняки:
1. Известняк доломитизированный (содержит углекислый магний);
2. Известняк чистый (известковый шпат, кальций);
3. Кремнистый известняк;
4. Глинистый известняк;
5. Туфовый известняк;
6. Крепкий ракушечник;
7. Песчанистый известняк;
8. Мраморовидный известняк;
9. Мрамор.
Известняки, идущие на бутовую кладку, должны выдерживать не разрушаясь определенную нагрузку и тем большую, чем ответственнее постройка.
Известняки, употребляемые для кладки фундаментов и стен, должны быть морозоустойчивыми, плотными, одинакового строения, легкими в обработке, иметь красивый внешний вид и большое сопротивление сжатию. Кроме того, они не должны быстро разрушаться от воздействия воды и воздуха. Для облицовки зданий употребляются известняки только некоторых определенных видов, главным образом разных сортов мраморы и мраморовидные известняки. Для отделки полов, подоконников и лестничных ступеней употребляются известняки разных сортов, начиная от бутовых и заканчивая мраморами. В данном случае пригодны известковые породы, имеющие большое сопротивление изгибу, разрыву и особенно истиранию.
Под цементом подразумевается всякая масса, способная связывать отдельные кусочки крепких материалов в одно целое. Разновидности цементов многочисленны. Важнейшие из них — известь и портландский цемент. Все они искусственным способом приготавливаются из известняков.
Известь. Известняки, такие как: мрамор, мел и другие, будучи подвергнуты сильному нагреву (обжигу), теряют заключающуюся в них углекислоту, обозначаемую формулой СО2. Разложение начинается при температуре 400°. Полное разложение происходит при 812°, но для ускорения процесса обжигают известь при температуре светло-красного каления (1200°).
После обжига камни становятся более рыхлыми и превращаются в так называемую жженую известь, имеющую громадное значение в строительном деле. Такая известь называется еще едкой, так как разъедает при неосторожном с ней обращении руки, одежду и т. д. Эта же известь называется еще «кипелкой» в силу того, что при обливании водой она жадно впитывает в себя воду, изменяясь при этом в своем составе. Такое соединение происходит очень энергично, вследствие чего через несколько минут известь начинает нагреваться и вода закипает. Известь при этом сначала растрескивается и распадается на мелкие куски и наконец, при достаточном количестве воды, обращается в тончайший порошок – пушонку. Этот процесс называется гашением извести, а известь гашеной. Гашение может происходить настолько энергично, что температура повышается до 300-450°. Известковое тесто, будучи оставлено на воздухе, совершенно затвердевает, выделяя воду и химически соединяясь с углекислотой из воздуха. После этого оно обращается снова в камень, т. е. снова получается известняк.
Материалом для получения извести служат известняки как чистые, так и доломитовые, но не кремнистые или глинистые. Для выяснения точных качеств известняка, как материала для извести, нужен его химический анализ. Химический состав негашеной едкой извести СаО, гашеной — СаОН2О, иначе — Са(ОН)2.
Портланд-цемент. Портланд-цемент представляет собой искусственную смесь трех частей чистой извести с одной частью жирной (чистой) глины или мергеля соответствующего состава. После обжига эта смесь размалывается в серо-зеленоватый порошок. Известняк для портландского цемента не должен быть кремнистым или доломитовым. Портланд-цемент употребляется для подводных сооружений. Он схватывается медленнее, но держит крепче. Главная составная часть портланд-цемента — углекислая известь — может быть применена во всех ее видах, а именно: 1) мел, 2) известняк плотный, 3) известковые раковины, 4) плотный мергель и т. д., при условии конечно, что они не содержат посторонних примесей, оказывающих вредное влияние, на продукт производства. Твердость и плотность не строительного известняка при современном состоянии техники не имеет большого значения: известковый мергель, как сырой материал для изготовления цемента, заслуживает предпочтения по сравнению с чистой углекислой известью, так как он уже от природы содержит в себе эти два элемента, однородно смешанными до степени, какой мы не могли бы достигнуть искусственным путем при самых усовершенствованных приспособлениях. Для получения правильного состава цемента, к мергелю добавляют еще небольшое количество других пород с преобладающим содержанием либо глины, либо извести. Однако такие добавления производятся в строго определенных пределах, так как пропорция смеси оказывает наибольшее влияние на качество получающего из нее цемента.
Флюсовые известняки. Выделение железа из руды происходит путем сильного ее нагревания. При очень высокой температуре руда разлагается на свои составные части. Разделение руды на ее составные части производится в доменных печах. В таких печах к руде добавляются известняки, называемыми флюсами или еще плавнями. Плавнями они называются потому, что при совместном нагревании с рудой способствуют плавлению руды и освобождению из нее металла. Вопрос этот довольно сложен и требует каждый раз особого изучения, как самой руды, так и тех известняков, которые предполагается употреблять в качестве флюса.
Для флюсов употребляются как чистые известняки, так и доломитизированные, а также мраморовидные известняки. Мел применяется редко. Доломит, содержащий в среднем 60% углекислого кальция и 40% углекислоты магния (металла), дает более легкоплавкие отходы, или шлаки, чем чистый известняк.
Известняки, идущие для производства силикатных кирпичей. В строительном деле широко применяются так называемые силикатные кирпичи. Приготовляются они из песка и извести самым разнообразным способом. Для силикатного кирпича пригодна всякая известь. Необходимо только, чтобы известь быстро и равномерно гасилась, так как непогасившиеся своевременно частицы могут впоследствии, уже после формовки, гаситься, увеличиваться в объеме и вызывать растрескивание кирпича. По этой причине доломитовые известняки малопригодны, так как известь с содержанием магнезии гасится медленнее. Мергеля также дают трудно гасящуюся известь.