Применение горных пород в производстве строительных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. М. Грибенюк
Ю. Н. Кошевой

Применение 
горных Пород и минералов 
в Производстве строительных 
материалов

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки 
08.03.01 — Строительство

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 691.2:624.91(075.8)
ББК 26.31+38.3я73
       Г82
Рецензенты:
Кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии 
Уральского государственного горного университета (завкафедрой 
О. Н. Грязнов, д‑р геол.‑минерал. наук);
Г. А. Петров, канд. геол.‑минерал. наук, нач. Григорьевской ГСП 
ОАО УГСЭ, доц. кафедры геологии Уральского государственного 
горного университета
Научный редактор — Ф. Л. Капустин, д‑р техн. наук, проф., завкафедрой материаловедения в строительстве Уральского федерального университета

 
Грибенюк, В. М.
Г82    Применение горных пород в производстве строительных материалов : учебное пособие / В. М. Грибенюк, Ю. Н. Кошевой. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2017. — 100 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2042‑4

Изложены общие сведения о геологическом строении Земли и геологических процессах. Рассмотрен вещественный состав Земли и классификации минералов и горных пород. Приведены основные понятия о полезных ископаемых. 
Рассмотрено применение горных пород и минералов в качестве минерального сырья для производства строительных материалов и технических изделий.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Строительство».

Библиогр.: 16 назв. Табл. 5. Рис. 7.

УДК 691.2(075.8)
ББК 38.3я73

Учебное издание

Грибенюк Валентин Михайлович, Кошевой Юрий Николаевич

ПРИМЕНЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И МИНЕРАЛОВ 
В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Подписано в печать 20.04.2017. Формат 60×84/16. Бумага писчая. Печать цифровая. 
Гарнитура Kudrashov. Уч.‑изд. л. 5,1. Усл. печ. л. 5,8. Тираж 50 экз. Заказ 108

Издательство Уральского университета 
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8(343)375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41
E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8(343) 350‑56‑64, 350‑90‑13 
Факс: 8(343) 358‑93‑06. E‑mail: press‑urfu@mail.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2042‑4 
© Уральский федеральный
 
    университет, 2017

Содержание

Введение ..........................................................................5

1. Общие сведения о Земле .................................................7

2. Современные представления о строении земли 
    (структурная модель) ................................................... 10

2.1. Внешние геосферы ................................................ 10
2.2. Внутренние геосферы ............................................ 12

3. Геологические процессы ................................................ 18

3.1. Общие сведения о геологических процессах .............. 18
3.2. Эндогенные геологические процессы ........................ 19
3.3. Экзогенные геологические процессы ........................ 25

3.3.1. Общие сведения об экзогенных процессах ....... 26
3.3.2. Литогенез .................................................... 26

4. Вещественный состав земной коры ................................. 32

4.1. Общие сведения о вещественном составе земной коры .. 32
4.1.1. Минералы ................................................... 33
4.1.2. Горные породы ............................................ 35

4.2. Систематика минералов .......................................... 36
4.3. Систематика горных пород ..................................... 39

4.3.1. Магматические горные породы ...................... 40
4.3.2. Осадочные горные породы ............................ 43
4.3.3. Метаморфические горные породы .................. 45

5. Полезные ископаемые для строительной индустрии .......... 48

5.1. Понятие о полезных ископаемых и месторождениях .. 48
5.2. Перспективы разработки месторождений полезных 
      ископаемых .......................................................... 53

6. Применение горных пород в строительстве ...................... 57
6.1. Камни строительные .............................................. 57
6.2. Камни облицовочные ............................................. 58

содержание

6.3. Пески строительные и песчано‑гравийные смеси ........ 61
6.4. Щебень и гравий строительные ............................... 63

7. Горные породы и минералы в производстве 
    строительных материалов и изделий .............................. 69

7.1. Глины (глинистое сырье) ........................................ 69
7.2. Карбонатное сырье для производства 
      портландцемента и извести ..................................... 74
7.3. Природный гипс и ангидрит ................................... 78
7.4. Горные породы и минералы в производстве 
      огнеупорных изделий ............................................. 79
7.5. Полевошпатовое сырье ........................................... 82
7.6. Стекольное сырье .................................................. 85
7.7. Сырье для формовочных материалов ....................... 87
7.8. Горные породы и минералы в производстве 
      изоляционных материалов ...................................... 88
7.9. Минеральные краски ............................................. 89
7.10. Сырье для кислотоупорных изделий ...................... 90
7.11. Вспучивающиеся материалы .................................. 91

8. Природные сорбенты .................................................... 92

9. Техногенные отходы — сырье для строительных 
    материалов .................................................................. 95

Заключение .................................................................... 98

Библиографический список ............................................... 99

Введение

С

троительная индустрия является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей экономики Свердловской области. После спада в 1990‑х годах, когда 
произошло сокращение спроса на новое производственное строительство, резко снизились объемы строительства социального 
жилья в противовес элитному. В настоящее время строительная 
индустрия выходит на качественно новый уровень, как по объектам, так и по ассортименту производимой продукции. Так, 
рост изделий крупнопанельного домостроения за 2000–2004 гг. 
составил 95,4 %, а в период с 2006 по 2020 гг. прогнозируется 
увеличение на 31,6 %. Аналогичная тенденция характерна и для 
других видов продукции — стеновых материалов, цемента, теплоизоляционных материалов и др.
Для увеличения объемов производства строительных материалов и изделий необходима широкая сырьевая база, отвечающая требованиям к получению щебня, песка, сырья для производства цемента и керамических изделий, других материалов. 
В целом обеспеченность Свердловской области сырьем для строительных материалов достаточно высока. Однако размещение 
ее определяется особенностями геологического строения региона. Месторождения строительного камня и карбонатного сырья 
приурочены к областям горноскладчатого Урала — центральная 
и западная части области, т. е. там, где палеозойские скальные 
породы выходят на дневную поверхность. Основные же запасы песков, песчано‑гравийных смесей и глин приурочены к восточным частям области, в районах сплошного развития рыхлых 
осадочных мезо‑кайнозойских отложений.
Одной из главных задач по обеспечению сырьем промышленности строительных материалов является наращивание объемов 

введение

добычи и ввод новых месторождений, таких, например, как высококачественные щебень и песок, ориентированные на вывоз 
в западные и восточные регионы страны. Другая задача — выявление месторождений строительных материалов, максимально 
приближенных к крупным промышленным центрам.
По сравнению с предыдущим изданием [16] несколько изменилась структура и расширилось содержание учебного пособия: 
представлена краткая характеристика полезных ископаемых — 
классификация, химический и минеральный (для горных пород) 
составы и др., рассмотрен генезис (происхождение) минералов 
и горных пород, взаимосвязь строения Земли, геологических 
процессов (как результат взаимодействия структурных элементов Земли) и вещества земной коры (как результат геологических процессов).

1. Общие сведения о Земле

З

емля как космический объект представляет собой твердое тело, окруженное жидкой и газовой оболочками. 
Возраст Земли оценивается значениями в 4–5 млрд лет.
Идеализированная фигура твердого тела Земли — геоид (поверхность уровня Мирового океана, условно продолженная под 
материками). Реальная поверхность Земли (рельеф) более сложная. Максимальные отклонения поверхности рельефа от поверхности геоида: гора Джомолунгма в Гималаях — высота 8848 м, 
Марианская впадина — глубина 11 034 м. Соответственно, амплитуда колебания высотных отметок поверхности рельефа около 20 км. В первом приближении геоид соответствует трехосному 
эллипсоиду Красовского с отклонениями до 100 м, реже 150 м. 
Во втором приближении форма Земли может быть описана приплюснутым с полюсов двухосным эллипсоидом (экваториальный радиус — 6378,245 км, полярный радиус — 6356,863 км), 
в третьем приближении — шаром. Шар — наиболее энергетически выгодная форма (капля). Очевидно, на определенных этапах развития вещество твердого тела Земли могло быть в расплавленном состоянии.
Параметры твердого тела Земли: средний радиус — 6371 км; 
площадь поверхности — 5210 млн км 2; объем — 1,083 · 10 12 км 3; 
масса — 5,976 · 10 9 трлн т. Рассчитанная средняя плотность вещества Земли составляет 5,52 г/см 3. Реальная плотность пород 
на поверхности варьирует от 2,5 до 3,0 г/см 3 (средняя — 2,8), 
что дает основание предполагать повышение плотности вещества 
с глубиной. По расчетным данным, она достигает в центре Земли значений 13–14 г/см 3.

Температурный режим. В приповерхностной части Земли 
(до глубин первые метры — 20–30 м) он определяется тепло

1. общие сведения о земле

вой энергией Солнца. Здесь средняя температура (с учетом суточных, сезонных, климатических и других колебаний) составляет 14–15 °С. Ниже этого уровня температура Земли зависит 
от внутренних источников тепла. Она постепенно повышается 
с глубиной (средний геотермический градиент — 3 °С на 100 м). 
Нарастание температуры с глубиной происходит не по линейному закону, а более сложно. Предполагается, что на глубинах 
100 км она может достигать значений 1000–1500 °С, а в центре 
Земли — до 5000–6000 °С.
Литостатическое давление. По расчетным данным давление 
от нормального на поверхности равномерно нарастает предположительно до 3,6 млн атмосфер в центре Земли.
Средний химический состав Земли неоднократно оценивался многими исследователями на основании сведений о составе 
метеоритов (как наиболее вероятного протопланетного материала, из которого сформированы планеты земной группы и астероиды), а также экспериментальных геохимических и геофизических данных и термодинамических расчетов. Округленные 
пределы средних содержаний основных химических элементов 
(по разным источникам) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Средний химический состав Земли, мас. %

Элемент
Fe
О
Si
Mg
S
Ni
Ca
Al
Na+K

Содержание
29–
37
28–
31
14–
15
11–
19
1,5–
4,7
1,6–
3,0
1,4–
2,3
1,2–
1,9
< 0,7

Как видно из табл. 1, более 90 % массы Земли приходится 
на долю четырех важнейших элементов — Fe, О, Si, Mg. Менее распространены S и ряд металлов (Ni, Ca, Al, Na, K, Cr). 
На оставшиеся химические элементы периодической таблицы 
Д. И. Менделеева приходится менее 1 % массы Земли.
Распределение химических элементов в теле Земли неоднородно. Очевидно, первоначально гомогенная «горячая» Земля в результате гравитационной дифференциации расслоилась, причем 
более тяжелый (с высокой плотностью) материал сконцентрировался в центре, а легкий «всплыл» на поверхность. Предпо

1. общие сведения о земле

лагается, что в центре Земли доминируют элементы с большим 
атомным весов (до 99 % металлов – преимущественно железо 
и никель). В составе верхней каменной оболочки Земли (земной коре) преобладают легкие элементы — кислород и кремний (до 75 %), около 25 % приходится на долю шести основных 
металлов (Al, Fe, Ca, Mg, Na, K), сумма остальных элементов 
не превышает 1–2 %.
Глубинные сейсмические границы (поверхности раздела). Современные технические средства и технологии позволяют проникать в недра Земли до глубин 10–15 км (глубокие шахты, буровые скважины и др.). Представления о строении и физическом 
состоянии вещества более глубинных областей Земли основываются на глубинном зондировании с помощью дистанционных 
геофизических методов, главным из которых является сейсмический. Метод основан на изменении скоростей прохождения 
сейсмических волн в различных средах, законах их отражения, 
преломления и поглощения. Анализ сейсмических данных позволил выделить и проследить в твердом теле Земли несколько 
поверхностей раздела (областей резкого, скачкообразного изменения свойств среды), что подтверждает модель слоистого, 
оболочечного строения Земли в целом. Наиболее выраженные 
и выдержанные по протяженности (глобальные) сейсмические 
границы раздела прослежены на глубинах 5–40 км, местами 
до 70 км (раздел Мохоровичича, или «Мохо»), 2900 км (раздел 
Гутенберга) и 5100 км. Еще одной границей раздела является 
реальная поверхность Земли, отделяющая твердое тело от внешних газовой и жидкой оболочек.
Дальнейшая характеристика Земли требует ее структурирования: выделения и описания структурных элементов (основных 
оболочек, или геосфер).