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., завка‑
федрой материаловедения в строительстве Уральского федерально‑
го университета

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

ISBN 978‑5‑7996‑2042‑4

Изложены общие сведения о геологическом строении Земли и геологиче‑
ских процессах. Рассмотрен вещественный состав Земли и классификации мине‑
ралов и горных пород. Приведены основные понятия о полезных ископаемых. 
Рассмотрено применение горных пород и минералов в качестве минерально‑
го сырья для производства строительных материалов и технических изделий.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению под‑
готовки 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 ди‑
намично развивающихся отраслей экономики Сверд‑
ловской области. После спада в 1990‑х годах, когда 
произошло сокращение спроса на новое производственное стро‑
ительство, резко снизились объемы строительства социального 
жилья в противовес элитному. В настоящее время строительная 
индустрия выходит на качественно новый уровень, как по объ‑
ектам, 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, те‑
плоизоляционных материалов и др.
Для увеличения объемов производства строительных мате‑
риалов и изделий необходима широкая сырьевая база, отвечаю‑
щая требованиям к получению щебня, песка, сырья для произ‑
водства цемента и керамических изделий, других материалов. 
В целом обеспеченность Свердловской области сырьем для стро‑
ительных материалов достаточно высока. Однако размещение 
ее определяется особенностями геологического строения регио‑
на. 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 запа‑
сы песков, песчано‑гравийных смесей и глин приурочены к вос‑
точным частям области, в районах сплошного развития рыхлых 
осадочных мезо‑кайнозойских отложений.
Одной из главных задач по обеспечению сырьем промышлен‑
ности строительных материалов является наращивание объемов 

введение

добычи и ввод новых месторождений, таких, например, как вы‑
сококачественные щебень и песок, ориентированные на вывоз 
в западные и восточные регионы страны. Другая задача — вы‑
явление месторождений строительных материалов, максимально 
приближенных к крупным промышленным центрам.
По сравнению с предыдущим изданием [16] несколько изме‑
нилась 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 элемен‑
тов Земли) и вещества земной коры (как результат геологиче‑
ских процессов).

1. Общие сведения о Земле

З

емля как космический объект представляет собой твер‑
дое тело, окруженное жидкой и газовой оболочками. 
Возраст Земли оценивается значениями в 4–5 млрд лет.
Идеализированная фигура твердого тела Земли — геоид (по‑
верхность уровня Мирового океана, условно продолженная под 
материками). Реальная поверхность Земли (рельеф) более слож‑
ная. Максимальные отклонения поверхности рельефа от поверх‑
ности геоида: гора Джомолунгма в Гималаях — высота 8848 м, 
Марианская впадина — глубина 11 034 м. Соответственно, ам‑
плитуда колебания высотных отметок поверхности рельефа око‑
ло 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 при‑
плюснутым с полюсов двухосным эллипсоидом (экваториаль‑
ный радиус — 6378,245 км, полярный радиус — 6356,863 км), 
в третьем приближении — шаром. Шар — наиболее энергетиче‑
ски выгодная форма (капля). Очевидно, на определенных эта‑
пах развития вещество твердого тела Земли могло быть в рас‑
плавленном 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 ве‑
щества 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 Зем‑
ли 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 су‑
точных, сезонных, климатических и других колебаний) состав‑
ляет 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 линей‑
ному 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 предпо‑
ложительно до 3,6 млн атмосфер в центре Земли.
Средний химический состав Земли неоднократно оценивал‑
ся многими исследователями на основании сведений о составе 
метеоритов (как наиболее вероятного протопланетного матери‑
ала, из которого сформированы планеты земной группы и асте‑
роиды), а также экспериментальных геохимических и геофизи‑
ческих 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. Ме‑
нее 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 неоднород‑
но. Очевидно, первоначально гомогенная «горячая» Земля в ре‑
зультате гравитационной дифференциации расслоилась, причем 
более тяжелый (с высокой плотностью) материал сконцентри‑
ровался 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 (зем‑
ной коре) преобладают легкие элементы — кислород и крем‑
ний (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). Со‑
временные технические средства и технологии позволяют прони‑
кать в недра Земли до глубин 10–15 км (глубокие шахты, буро‑
вые скважины и др.). Представления о строении и физическом 
состоянии вещества более глубинных областей Земли основы‑
ваются на глубинном зондировании с помощью дистанционных 
геофизических методов, главным из которых является сейсми‑
ческий. Метод основан на изменении скоростей прохождения 
сейсмических волн в различных средах, законах их отражения, 
преломления и поглощения. Анализ сейсмических данных по‑
зволил выделить и проследить в твердом теле Земли несколько 
поверхностей раздела (областей резкого, скачкообразного из‑
менения 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 внеш‑
них газовой и жидкой оболочек.
Дальнейшая характеристика Земли требует ее структурирова‑
ния: выделения и описания структурных элементов (основных 
оболочек, или геосфер).

2. Современные представления  
о строении земли (структурная модель)

А

нализ изложенных выше прямых (объективных, непо‑
средственно наблюдаемых) и косвенных геологических 
данных, а также ряд допущений и предположений по‑
зволил построить структурную модель Земли. Прямые геоло‑
гические данные – результат изучения вещества на поверхно‑
сти, в шахтах, рудниках и других горных выработках, а также 
в керне глубоких буровых скважин. Они дают возможность су‑
дить о самой верхней, приповерхностной части нашей планеты. 
Глубинное строение Земли характеризуется лишь косвенными 
данными, полученными с помощью геофизических методов глу‑
бинного зондирования.
Структурные элементы Земли. В целом Земля обладает обо‑
лочечным строением. В ее составе выделено шесть оболочек пер‑
вого порядка (геосфер), контрастно отличающихся по составу 
и физическим свойствам. К внешним геосферам относятся ат-
мосфера, гидросфера и биосфера, к внутренним — ядро, ман-
тия и земная кора. Условная граница раздела внешних и вну‑
тренних геосфер — поверхность твердого тела Земли. В свою 
очередь, геосферы разделяются на оболочки второго и более 
высоких порядков. Взаимодействие между оболочками — суть 
всех протекающих на поверхности Земли и в ее недрах геоло‑
гических процессов.

2.1. Внешние геосферы

Внешние геосферы рассматриваются как источник экзоген‑
ных процессов. Первостепенное значение имеет их химическая, 
физическая и биологическая активность при разрушении (выве‑

2.1. внешние геосферы

тривании) приповерхностной части твердого тела Земли, транс‑
портировке продуктов выветривания, образовании и накопле‑
нии осадков.
Атмосфера — внешняя газовая оболочка Земли. Нижняя 
граница — поверхность твердого тела Земли, верхняя грани-
ца — условная (по разным источникам проводится на высотах 
от 1200 до 3000 км и выше). Соответственно, мощность атмос‑
феры приблизительно оценивается в 1/5–1/2 радиуса твердо‑
го тела. Еще выше (до 20 000 км и более) устанавливаются лишь 
следы сильно разряженной атмосферы. Масса атмосферы — 
1/1 000 000 общей массы Земли. Состав — 78 % азот, 21 % кис‑
лород, 0,9 % аргон, 0,033 % СО2, в незначительных количествах 
присутствуют метан, Не, Н и другие газы. В составе атмосфе‑
ры присутствуют также пары воды, озон, пыль.
Атмосфера по своему составу, распределению массы и термо‑
барическим условиям весьма неоднородна. Более половины всей 
массы атмосферы сосредоточено на первых 5–6 км. С высотой 
плотность ее уменьшается. Традиционно атмосфера разделяется 
на пять оболочек второго порядка. Тропосфера — до 10–15 км, 
в ней содержится основная часть пыли и паров воды. Здесь фор‑
мируются погода и климат планеты, возникают мощные воздуш‑
ные течения, парниковый эффект. Стратосфера – до 50 км, 
содержит озоновый слой, сдерживающий жесткое ультрафиоле‑
товое космическое излучение. Мезосфера – до 80 км. Термосфе-
ра — до 800 км. Экзосфера (сфера ускользания газа) состоит 
из легких разряженных газов, элементарных частиц и на высо‑
тах от первых тысяч до нескольких десятков тысяч км постепен‑
но переходит в безвоздушное космическое пространство.
Колебание температуры воздуха, воздушные потоки, атмос‑
ферные осадки, а также химическое воздействие активных эле‑
ментов и химических соединений атмосферы проводят значитель‑
ную работу по разрушению горных пород на земной поверхности.
Гидросфера — водная оболочка Земли. В ее состав, кроме вод 
Мирового океана, входят наземные и подземные воды, а также 
воды в твердом и газообразном состоянии, в кристаллических 
решетках минералов, в магматических расплавах и т. д. Соответ‑
ственно, границы гидросферы условные. Она охватывает и ниж‑