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 1000-1300 oc. 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
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, γ o 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 magma acid: SiO 2 > 65%. - Đá magma trung tính: SiO 2 = 65-55%. - Đá magma baz: SiO 2 = 55-45%. - Đá magma siêu baz: SiO 2 < 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
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: γ o < 1800 kg/m 3, có R < 150kG/cm 2, dùng xây tường cho công trình cần cách nhiệt. Đá nặng: γ o 1800 kg/m 3, có R 150 kg/cm 2, 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): K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2. - Fenspat natri (plagiocla): Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2. - Fenspat calci (anoctit): CaO.Al 2 O 3.2SiO 2. Fenspat kém ổn định trong môi trường có CO 2 và nước, ở môi trường nước có chứa CO 2, fenspat kali cho sản phẩm mới: K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 + CO 2 + 2H 2 O Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O + K 2 CO 3 + 4SiO 2 (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. K 2 O.3Al 2 O 3.6SiO 2.2H 2 O. - Biotite: nâu hoặc đen. K(Mg, Fe) 3.(Si 3 AlO 10 )(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
ĐÁ MAGMA MAGMA XÂM NHẬP MAGMA PHÚN XUẤT SYENITE GABRO GRANITE Chặt chẽ 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 T.T. HÓA HỌC T.T. HỮU CƠ Rời rạc Liên kết CÁT, CUỘI, SÉT CUỘI KẾT DĂM KẾT THẠCH CAO, DOLOMITE, MAGNESITE, ANHYDRIDE ĐÁ VÔI ĐÁ PHẤN TRÊ-PEN DIATOMITE Biến dạng của vỏ quả đất ĐÁ BIẾN CHẤT BIẾN CHẤT KHU VỰC BIẾN CHẤT TIẾP XÚC GƠ NAI TỪ GRANITE DIỆP THẠCH SÉT TỪ ĐẤT SÉT 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
III. 2. Nhóm oxyde: Thạch anh SiO 2 : Cấu tạo dạng tinh thể, độ cứng lớn, γ a = 2,6g/cm 3. Ở nhiệt độ thường SiO 2 không tác dụng với vôi. Ở nhiệt độ 130-200 oc, áp suất bão hòa. SiO 2 tác dụng với vôi cho ra sản phẩm silicate. SiO 2 + CaO + H 2 O CaO.SiO 2.H 2 O [Ca(OH) 2 ] to = 175 oc, p = 8at Opal: Là oxyde silic ngậm nước (SiO 2.nH 2 O) 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: CaCO 3, độ cứng 3, ít hòa tan trong nước (0,03g/l). Trong nước có CO 2, CaCO 3 tan nhiều hơn tạo thành bicarbonate acide calci Ca(HCO 3 ) 2. Chất này tan 100 lần so với CaCO 3. Dolomite: CaCO 3.MgCO 3. Tính chất lý học giống với CaCO 3 nhưng cứng, bền hơn, ít hòa tan trong nước. Dùng để sản xuất chất kết dính dolomi. Magnesite: MgCO 3, là sản phẩm tương đối hiếm. Để sản xuất chất kết dính dùng cho vật liệu chịu lửa. MgCO 3 MgO + CO 2 t o (CKD chịu lửa) III.4. Nhóm sulfate Thạch cao: CaSO 4.2H 2 O. Dễ hòa tan trong nước. CaCO 4.2H 2 O 1,5H 2 O + CaSO 4.0,5H 2 O (nghiền thành dạng bột) t o = 150-170 oc b. Anhydride:(CaSO 4 ). - Áp lực thấp sẽ tác dụng với nước tạo thành thạch cao: CaSO 4 + H 2 O CaSO 4.2H 2 O, tăng thể tích 30%. II- 5
IV. Các phương pháp khai thác và gia công: Chọn phương pháp khai thác dựa vào điều kiện cấu tạo của mỏ đá, hình dạng, kích thước vật liệu, độ cứng đá, phương tiện trang thiết bị (tham khảo thêm Bài giảng Máy và thiết bị sản xuất Vật Liệu Xây Dựng,-Chương 1). 1. Khai thác lộ thiên: mỏ đá nằm không sâu, hoặc trên mặt đất. 2. Khai thác hầm lò: mỏ đá nằm sâu trong lòng đất. 3. Phương pháp búa chêm nổ mìn: sản xuất đá dăm, đá hộc. 4. Máy cưa xẻ: nếu sản xuất các sản phẩm đá dạng tấm. V. Các tính chất chủ yếu: 1. Khối lượng riêng: (γ a ) γ a = 800 3200 kg/m 3. 2. Hệ số mềm: VL đá bền nước (r lớn): K m < 0.6. VL đá bền nước TB: K m = 0.6-0.75 VL đá bền nước tốt: K m = 0.75-0.9 VL đá bền nước rất tốt: K m > 0.9. 3. Cường độ chịu nén: Vật liệu có độ bền nén kém : R n < 150kG/cm 2. trung bình: R n = 150-400 kg/cm 2 tốt : R n 500 kg/cm 2. VI. Nguyên nhân phá hoại và biện pháp bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên VI.1. Nguyên nhân phá hoại. - Do tác dụng hoá lý của môi trường hòa tan là nước. Đặc biệt trong nước có CO 2 và acid thì gây phá hoại nhanh chóng đối với đá vôi. - Do sự giản nở nhiệt không đều nhau của các khoáng vật tạo đá khi nhiệt độ thay đổi. - Do sự tác động của axít hữu cơ lên bề mặt của vật liệu đá (bụi vô cơ, hữu cơ + ẩm vi khuẩn tiết ra acid hữu cơ gây phá hoại cấu trúc của đá). - Do cấu trúc bản thân đá (phân lớp, nứt nẻ...) II- 6
VI. 2. Biện pháp bảo vệ. Phải loại trừ khả năng xâm nhập của nước trong môi trường vào vật liệu đá bằng cách: - Flourua hóa bề mặt đá vôi để tạo 1 lớp khoáng không hòa tan và các kết tủa khác lắp kín các lỗ rỗng, làm tăng tính chống thấm của đá. 2CaCO 3 + MgSiF 6 2CaF 2 + SiO 2 + MgF 2 + 2CO 2 - Phủ lên bề mặt vật liệu đá thiên nhiên một lớp nhựa thông, parafin, hoặc gudron. - Tẩm đá đến độ sâu 1cm bằng dầu gai nóng để ngăn tác dụng phá hoại của acide carbonic H 2 CO 3. - Gia công bề mặt VL đá thiên nhiên thật phẳng để hơi nước thoát nhanh không đọng lại trên bề mặt. II- 7