Xem mẫu
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
CHƯƠNG II
VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN
I. Khái niệm
Đá thiên nhiên: Là một khối vô cơ bao gồm 1 hay nhiều khoáng vật khác nhau.
Khoáng vật là những vật thể đồng nhất về thành phần hóa học, cấu trúc và tính
chất vật lý. Ví dụ khoáng vật thạch cao, fenspat ...
- Các loại đá chỉ tạo nên bởi một loại khoáng vật như: đá thạch anh, đá thạch cao
hay tạo nên bởi nhiều loại khoáng như: đá bazan, đá granit.
Vật liệu đá thiên nhiên: Là sản phẩm sản xuất từ đá thiên nhiên bằng phương
pháp gia công cơ học như: đá hộc, đá tấm (phiến), đá dăm, cát, ...
Từ đá thiên nhiên có thể chế tạo một số chất kết dính như xi măng, vôi, thạch cao..
Vật liệu đá xây dựng được sử dụng rộng rãi nhờ có những ưu điểm sau:
- Cường độ chịu nén cao, Rn cao.
- Bền vững trong môi trường sử dụng.
- Dùng để trang trí.
- Giá thành hạ, tận dụng được nguồn nguyên liệu địa phương.
II. Phân loại:
II.1. Phân loại theo nguồn gốc hình thành:
Căn cứ vào nguồn gốc hình thành người ta chia thành 3 nhóm sau: đá magma, đá
trầm tích, và đá biến chất.
II.1.1. Đá magma:
Được tạo thành do sự nguội đặc và kết tinh của những khối magma nóng chảy ởù
nhiệt độ 1000 - 1300oC. Tùy theo điều kiện nguội đặc chia làm 2 loại, magma xâm nhập và
magma phún xuất.
Magma xâm nhập: hình thành do magma nóng chảy xâm nhập vào bên trong
lòng trái đất (cách ly khí quyển) dưới áp lực và nhiệt độ cao, nguội dần mà thành. Như đá
granit, diorit, syenite.
II- 1
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
Magma phún xuất: hình thành do sự nguội đặc và kết tinh của magma nóng
chảy theo những kẻ nứt phun ra trên bề mặt trái đất, tiếp xúc với không khí, áp suất và
nhiệt độ thấp, nguội lạnh nhanh mà sinh ra.
- Trên mặt đất, do nguội lạnh nhanh, magma không kịp kết tinh nên có thể tạo ra
những tinh thể rất nhỏ, dạng ẩn tinh hoặc thủy tinh núi lửa: đó là dạng magma phún xuất
chặc chẽ. Vd. Đá diabaz, bazan, andezit
- Khi magma đang sủi bọt, gặp lạnh đông lại nên rất xốp và nhẹ, hoặc phần magma bị
phun lên cao, bay xa, nguội nhanh, hơi nước, khí thoát ra nhiều nên có kết cấu rỗng vụn,
γo nhỏ: đó là dạng magma phún xuất rời rạc. Vd. Tro, tuff núi lữa.
Dựa vào hàm lượng oxit silic, magma có các loại:
-
Đá
Đá
Đá
Đá
magma
magma
magma
magma
acid:
trung tính:
baz:
siêu baz:
SiO2
SiO2
SiO2
SiO2
>
=
=
<
65%.
65 - 55%.
55 - 45%.
45%.
II.1.2. Đá trầm tích
Được hình thành do sự trầm lắng của các khoáng chất trong nước, tích lũy thành
khối mà thành. Dựa vào điều kiện hình thành chia làm 3 loại:
Trầm tích vô cơ: tạo thành do sự trầm lắng của các vật liệu khoáng hòa tan trong
nước kết tủa lại, như đá vôi dolomit, thạch cao, anhydrit.
Trầm tích hữu cơ: tạo thành do sự trầm lắng của xác động thực vật, như đá vôi
vỏ sò, đá phấùn, diatomit.
Trầm tích cơ học: tạo thành do sự trầm lắng của các sản phẩm vụn nát sinh ra
trong quá trình phong hóa các loại VL. Có loại rời rạc như sỏi, cát, hoặc gắn kết nhau như
dăm kết, cuội kết.
II.1.3. Đá biến chất:
Là các loại đá magma và trầm tích bị biến chất khi gặp áp suất và nhiệt độ cao.
Gồm 2 loại:
Biến chất khu vực: khi một vùng đất nào đó bị lún xuống, những lớp đá hình
thành trước bị lún sâu hơn, bên trên là những lớp trầm tích mới tích tụ dần, lâu ngày tạo
nên một áp lực lớn ép lên những lớp dưới làm chúng bị biến chất. Loại này có tính phân
phiến. Vd. Đa gơ-nai, diệp thạch sét.
II- 2
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
Biến chất tiếp xúc: Tạo thành từ trầm tích bị biến chất do tác dụng của nhiệt độ
cao. Khi gặp magma xâm nhập, đá trầm tích tiếp xúc với magma nóng chảy do đó bị nung
nóng và thay đổi tính chất. Vd. đá hoa, thạch anh.
II. 2. Phân loại theo cường độ và khối lượng thể tích:
Đá nhẹ:
γo < 1800 kg/m3, có R < 150kG/cm2, dùng xây tường cho công trình
cần cách nhiệt.
Đá nặng: γo ≥ 1800 kg/m3, có R ≥ 150 kG/cm2, dùng trong các công trình thủy
công để xây móng, tường chắn, lớp phủ bờ kè, ốp lát.
III. Các khoáng vật tạo đá
Có 4 nhóm chủ yếu: silicate, oxyde, carbonate và sulfate.
III.1. Nhóm khoáng silicate:
Gồm những nhóm phụ sau:
Nhóm phụ fenspat: màu trắng xám, vàng, hồng đến đỏ.
- Fenspat kali (octocla): K2O.Al2O3.6SiO2.
- Fenspat natri (plagiocla): Na2O.Al2O3.6SiO2.
- Fenspat calci (anoctit): CaO.Al2O3.2SiO2.
Fenspat kém ổn định trong môi trường có CO2 và nước, ở môi trường nước có chứa
CO2, fenspat kali cho sản phẩm mới:
K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 + 2H2O → Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4SiO2
(Kaolin)
Kaolin trắng đục, dẻo cao, dùng để sản xuất gốm tinh.
Nhóm phụ mica: là những alumosilicate ngậm nước, rất phức tạp. Có 3 loại:
- Muscovite: trong suốt. K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O.
- Biotite: nâu hoặc đen. K(Mg, Fe)3.(Si3AlO10)(OH, F)2.
- Vemiculite: vàng hoặc xám: tạo thành do oxid hóa và thủy hóa biotite. Khi nung,
nước mất và tăng thể tích 18 - 20 lần nên được dùng để làm vật liệu cách nhiệt.
Nhóm phụ pyroxene: màu đen, phớt lục, phớt nâu.
Nhóm phụ amphibon: màu lục hay nâu.
II- 3
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
ĐÁ MAGMA
MAGMA XÂM NHẬP
MAGMA PHÚN XUẤT
Chặt chẽ
SYENITE
GABRO
GRANITE
POC-PHIA
ANDESITE
DIABAZƠ
Rời rạc
TRO & CÁT NÚI LỬA
BỌT NÚI LỬA
TUFF NÚI LỬA
Quá trình phong hóa thiên nhiên
ĐÁ TRẦM TÍCH
T.T. CƠ HỌC
Rời rạc
T.T. HÓA HỌC
T.T. HỮU CƠ
THẠCH CAO,
DOLOMITE,
MAGNESITE,
ANHYDRIDE
ĐÁ VÔI
ĐÁ PHẤN
TRÊ-PEN
DIATOMITE
Liên kết
CÁT,
CUỘI,
SÉT
CUỘI KẾT
DĂM KẾT
Biến dạng của vỏ quả đất
ĐÁ BIẾN CHẤT
BIẾN CHẤT KHU VỰC
GƠ NAI
TỪ
GRANITE
DIỆP THẠCH
SÉT TỪ ĐẤT
SÉT
BIẾN CHẤT TIẾP XÚC
ĐÁ HOA
TỪ
ĐÁ VÔI
ĐÁ
THẠCH ANH
TỪ CÁT
Hình 1. Quá trình phong hóa và hình thành các loại đá thiên nhiên.
II- 4
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
III. 2. Nhóm oxyde:
Thạch anh SiO2: Cấu tạo dạng tinh thể, độ cứng lớn, γa = 2,6g/cm3. Ở nhiệt độ
thường SiO2 không tác dụng với vôi. Ở nhiệt độ 130 - 200oC, áp suất bão hòa. SiO2
tác dụng với vôi cho ra sản phẩm silicate.
SiO2 + CaO + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CaO.SiO2.H2O
[Ca(OH)2]
to = 175oC, p = 8at
Opal: Là oxyde silic ngậm nước (SiO2.nH2O) chứa khoảng 6 - 34% nước. Opal là
chất hoạt tính có thể kết hợp với vôi ở nhiệt độ thường cho ra silicate.
III.3. Nhóm carbonat:
Canxit: CaCO3, độ cứng 3, ít hòa tan trong nước (0,03g/l). Trong nước có CO2,
CaCO3 tan nhiều hơn tạo thành bicarbonate acide calci Ca(HCO3)2. Chất này tan
100 lần so với CaCO3.
Dolomite: CaCO3.MgCO3. Tính chất lý học giống với CaCO3 nhưng cứng, bền hơn,
ít hòa tan trong nước. Dùng để sản xuất chất kết dính dolomi.
Magnesite: MgCO3, là sản phẩm tương đối hiếm. Để sản xuất chất kết dính dùng
cho vật liệu chịu lửa.
MgCO3 ⎯⎯→ MgO + CO2
to
(CKD chịu lửa)
III.4. Nhóm sulfate
Thạch cao: CaSO4.2H2O. Dễ hòa tan trong nước.
CaCO4.2H2O ⎯⎯⎯⎯→ 1,5H2O + CaSO4.0,5H2O (nghiền thành dạng bột)
to = 150 - 170oC
b. Anhydride:(CaSO4).
- Áp lực thấp sẽ tác dụng với nước tạo thành thạch cao:
CaSO4 + H2O ⎯→ CaSO4.2H2O,
tăng thể tích 30%.
II- 5
nguon tai.lieu . vn
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
CHƯƠNG II
VẬT LIỆU ĐÁ THIÊN NHIÊN
I. Khái niệm
Đá thiên nhiên: Là một khối vô cơ bao gồm 1 hay nhiều khoáng vật khác nhau.
Khoáng vật là những vật thể đồng nhất về thành phần hóa học, cấu trúc và tính
chất vật lý. Ví dụ khoáng vật thạch cao, fenspat ...
- Các loại đá chỉ tạo nên bởi một loại khoáng vật như: đá thạch anh, đá thạch cao
hay tạo nên bởi nhiều loại khoáng như: đá bazan, đá granit.
Vật liệu đá thiên nhiên: Là sản phẩm sản xuất từ đá thiên nhiên bằng phương
pháp gia công cơ học như: đá hộc, đá tấm (phiến), đá dăm, cát, ...
Từ đá thiên nhiên có thể chế tạo một số chất kết dính như xi măng, vôi, thạch cao..
Vật liệu đá xây dựng được sử dụng rộng rãi nhờ có những ưu điểm sau:
- Cường độ chịu nén cao, Rn cao.
- Bền vững trong môi trường sử dụng.
- Dùng để trang trí.
- Giá thành hạ, tận dụng được nguồn nguyên liệu địa phương.
II. Phân loại:
II.1. Phân loại theo nguồn gốc hình thành:
Căn cứ vào nguồn gốc hình thành người ta chia thành 3 nhóm sau: đá magma, đá
trầm tích, và đá biến chất.
II.1.1. Đá magma:
Được tạo thành do sự nguội đặc và kết tinh của những khối magma nóng chảy ởù
nhiệt độ 1000 - 1300oC. Tùy theo điều kiện nguội đặc chia làm 2 loại, magma xâm nhập và
magma phún xuất.
Magma xâm nhập: hình thành do magma nóng chảy xâm nhập vào bên trong
lòng trái đất (cách ly khí quyển) dưới áp lực và nhiệt độ cao, nguội dần mà thành. Như đá
granit, diorit, syenite.
II- 1
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
Magma phún xuất: hình thành do sự nguội đặc và kết tinh của magma nóng
chảy theo những kẻ nứt phun ra trên bề mặt trái đất, tiếp xúc với không khí, áp suất và
nhiệt độ thấp, nguội lạnh nhanh mà sinh ra.
- Trên mặt đất, do nguội lạnh nhanh, magma không kịp kết tinh nên có thể tạo ra
những tinh thể rất nhỏ, dạng ẩn tinh hoặc thủy tinh núi lửa: đó là dạng magma phún xuất
chặc chẽ. Vd. Đá diabaz, bazan, andezit
- Khi magma đang sủi bọt, gặp lạnh đông lại nên rất xốp và nhẹ, hoặc phần magma bị
phun lên cao, bay xa, nguội nhanh, hơi nước, khí thoát ra nhiều nên có kết cấu rỗng vụn,
γo nhỏ: đó là dạng magma phún xuất rời rạc. Vd. Tro, tuff núi lữa.
Dựa vào hàm lượng oxit silic, magma có các loại:
-
Đá
Đá
Đá
Đá
magma
magma
magma
magma
acid:
trung tính:
baz:
siêu baz:
SiO2
SiO2
SiO2
SiO2
>
=
=
<
65%.
65 - 55%.
55 - 45%.
45%.
II.1.2. Đá trầm tích
Được hình thành do sự trầm lắng của các khoáng chất trong nước, tích lũy thành
khối mà thành. Dựa vào điều kiện hình thành chia làm 3 loại:
Trầm tích vô cơ: tạo thành do sự trầm lắng của các vật liệu khoáng hòa tan trong
nước kết tủa lại, như đá vôi dolomit, thạch cao, anhydrit.
Trầm tích hữu cơ: tạo thành do sự trầm lắng của xác động thực vật, như đá vôi
vỏ sò, đá phấùn, diatomit.
Trầm tích cơ học: tạo thành do sự trầm lắng của các sản phẩm vụn nát sinh ra
trong quá trình phong hóa các loại VL. Có loại rời rạc như sỏi, cát, hoặc gắn kết nhau như
dăm kết, cuội kết.
II.1.3. Đá biến chất:
Là các loại đá magma và trầm tích bị biến chất khi gặp áp suất và nhiệt độ cao.
Gồm 2 loại:
Biến chất khu vực: khi một vùng đất nào đó bị lún xuống, những lớp đá hình
thành trước bị lún sâu hơn, bên trên là những lớp trầm tích mới tích tụ dần, lâu ngày tạo
nên một áp lực lớn ép lên những lớp dưới làm chúng bị biến chất. Loại này có tính phân
phiến. Vd. Đa gơ-nai, diệp thạch sét.
II- 2
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
Biến chất tiếp xúc: Tạo thành từ trầm tích bị biến chất do tác dụng của nhiệt độ
cao. Khi gặp magma xâm nhập, đá trầm tích tiếp xúc với magma nóng chảy do đó bị nung
nóng và thay đổi tính chất. Vd. đá hoa, thạch anh.
II. 2. Phân loại theo cường độ và khối lượng thể tích:
Đá nhẹ:
γo < 1800 kg/m3, có R < 150kG/cm2, dùng xây tường cho công trình
cần cách nhiệt.
Đá nặng: γo ≥ 1800 kg/m3, có R ≥ 150 kG/cm2, dùng trong các công trình thủy
công để xây móng, tường chắn, lớp phủ bờ kè, ốp lát.
III. Các khoáng vật tạo đá
Có 4 nhóm chủ yếu: silicate, oxyde, carbonate và sulfate.
III.1. Nhóm khoáng silicate:
Gồm những nhóm phụ sau:
Nhóm phụ fenspat: màu trắng xám, vàng, hồng đến đỏ.
- Fenspat kali (octocla): K2O.Al2O3.6SiO2.
- Fenspat natri (plagiocla): Na2O.Al2O3.6SiO2.
- Fenspat calci (anoctit): CaO.Al2O3.2SiO2.
Fenspat kém ổn định trong môi trường có CO2 và nước, ở môi trường nước có chứa
CO2, fenspat kali cho sản phẩm mới:
K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 + 2H2O → Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4SiO2
(Kaolin)
Kaolin trắng đục, dẻo cao, dùng để sản xuất gốm tinh.
Nhóm phụ mica: là những alumosilicate ngậm nước, rất phức tạp. Có 3 loại:
- Muscovite: trong suốt. K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O.
- Biotite: nâu hoặc đen. K(Mg, Fe)3.(Si3AlO10)(OH, F)2.
- Vemiculite: vàng hoặc xám: tạo thành do oxid hóa và thủy hóa biotite. Khi nung,
nước mất và tăng thể tích 18 - 20 lần nên được dùng để làm vật liệu cách nhiệt.
Nhóm phụ pyroxene: màu đen, phớt lục, phớt nâu.
Nhóm phụ amphibon: màu lục hay nâu.
II- 3
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
ĐÁ MAGMA
MAGMA XÂM NHẬP
MAGMA PHÚN XUẤT
Chặt chẽ
SYENITE
GABRO
GRANITE
POC-PHIA
ANDESITE
DIABAZƠ
Rời rạc
TRO & CÁT NÚI LỬA
BỌT NÚI LỬA
TUFF NÚI LỬA
Quá trình phong hóa thiên nhiên
ĐÁ TRẦM TÍCH
T.T. CƠ HỌC
Rời rạc
T.T. HÓA HỌC
T.T. HỮU CƠ
THẠCH CAO,
DOLOMITE,
MAGNESITE,
ANHYDRIDE
ĐÁ VÔI
ĐÁ PHẤN
TRÊ-PEN
DIATOMITE
Liên kết
CÁT,
CUỘI,
SÉT
CUỘI KẾT
DĂM KẾT
Biến dạng của vỏ quả đất
ĐÁ BIẾN CHẤT
BIẾN CHẤT KHU VỰC
GƠ NAI
TỪ
GRANITE
DIỆP THẠCH
SÉT TỪ ĐẤT
SÉT
BIẾN CHẤT TIẾP XÚC
ĐÁ HOA
TỪ
ĐÁ VÔI
ĐÁ
THẠCH ANH
TỪ CÁT
Hình 1. Quá trình phong hóa và hình thành các loại đá thiên nhiên.
II- 4
Bài giảng Vật liệu xây dựng
Chương 2: Vật liệu đá thiên nhiên
III. 2. Nhóm oxyde:
Thạch anh SiO2: Cấu tạo dạng tinh thể, độ cứng lớn, γa = 2,6g/cm3. Ở nhiệt độ
thường SiO2 không tác dụng với vôi. Ở nhiệt độ 130 - 200oC, áp suất bão hòa. SiO2
tác dụng với vôi cho ra sản phẩm silicate.
SiO2 + CaO + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CaO.SiO2.H2O
[Ca(OH)2]
to = 175oC, p = 8at
Opal: Là oxyde silic ngậm nước (SiO2.nH2O) chứa khoảng 6 - 34% nước. Opal là
chất hoạt tính có thể kết hợp với vôi ở nhiệt độ thường cho ra silicate.
III.3. Nhóm carbonat:
Canxit: CaCO3, độ cứng 3, ít hòa tan trong nước (0,03g/l). Trong nước có CO2,
CaCO3 tan nhiều hơn tạo thành bicarbonate acide calci Ca(HCO3)2. Chất này tan
100 lần so với CaCO3.
Dolomite: CaCO3.MgCO3. Tính chất lý học giống với CaCO3 nhưng cứng, bền hơn,
ít hòa tan trong nước. Dùng để sản xuất chất kết dính dolomi.
Magnesite: MgCO3, là sản phẩm tương đối hiếm. Để sản xuất chất kết dính dùng
cho vật liệu chịu lửa.
MgCO3 ⎯⎯→ MgO + CO2
to
(CKD chịu lửa)
III.4. Nhóm sulfate
Thạch cao: CaSO4.2H2O. Dễ hòa tan trong nước.
CaCO4.2H2O ⎯⎯⎯⎯→ 1,5H2O + CaSO4.0,5H2O (nghiền thành dạng bột)
to = 150 - 170oC
b. Anhydride:(CaSO4).
- Áp lực thấp sẽ tác dụng với nước tạo thành thạch cao:
CaSO4 + H2O ⎯→ CaSO4.2H2O,
tăng thể tích 30%.
II- 5