Строительные материалы — это самый большой по объёму продукт, который мы извлекаем из недр Земли; после горючих ископаемых они являются второй наиболее значительной группой минерального сырья. В связи с тем, что почти каждая горная порода или минерал некоторым образом вносят свой вклад в этот продукт, обсуждение происхождения строительных материалов охватывает по существу всю геологию, что выходит за рамки данной книги. Поэтому основное внимание будет сконцентрировано на использовании главнейших строительных материалов для того, чтобы сопоставить перспективу этих самых больших по объему минеральных продуктов с другими видами минерального сырья.
Хотя удовлетворительной классификации строительных материалов не существует, мы разделим их на две группы: первая — это материалы, которые используются в том виде, в каком они добываются из недр, без обработки (исключая лишь изменение их физической формы путем распиловки и дробления); вторая группа — подготовленные материалы, которые до своего использования должны быть обработаны химически, обожжены, расплавлены или изменены иным способом! При этом подразумевается обработка, включающая плавление материала и преобразование его в новые формы. Первая группа включает всю совокупность строительного камня, песка, гравия и дробленого камня; вторая — глины для кирпича, сырье для цемента и штукатурки, а также асбест.
Многие строительные материалы в отличие от металлов имеют небольшую ценность, ибо не являются редким видом сырья и широко распространены; однако, когда они переходят или перерабатываются в полезную форму, стоимость их неизмеримо возрастает. Например, известняк и сланец, используемые для получения цемента, могут иметь присущую им в недрах стоимость менее 1 долл./т, но после добычи, дробления, обжига и преобразования в высококачественный цемент стоимость продукта равна 50 долл./т и более. К факторам, определяющим выбор места добычи и переработки сырья, в данном случае относятся уровень местных потребностей в материале и стоимость его транспортировки; проблемы запасов сырья возникают редко.
Природные каменные материалы
Существуют три класса каменных материалов, получаемых из природных горных пород; их запасы почти безграничны, и останавливаться на рассмотрении глобальных запасов нерудного сырья не имеет смысла.
Строительный камень. Рациональные области применения строительного камня — кровельные работы (глиняная черепица), дорожное строительство (бордюрный камень), облицовка общественных зданий, создание надгробных памятников. Хотя с незапамятных времен камень служил и конструкционным материалом, и материалом для фундаментов, сейчас из этих областей применения он вытесняется бетоном; все другие области его использования определяются эстетическими соображениями. В зданиях, например, строительный камень используется преимущественно в качестве облицовочного материала. Неудивительно, что производство пиленого, тесаного и другими способами формованного камня снижается в течение многих лет.
В нашем распоряжении нет цифр объемов производства и типов используемого камня в масштабах всего мира, но зато есть прекрасная документация о продукции США, которая, возможно, даст некоторое представление о состоянии дел в мире. В 1982 г. общий тоннаж строительного камня, добываемого в США, был равен 1,2 млн. т. Двумя наиболее популярными типами горных пород являются известняки и граниты, на которые приходится более 70 % всей продукции.
С какими проблемами сталкивается производство строительного камня? Если обнаружены камни приятного внешнего вида с хорошими физическими свойствами, то возникают обычно две проблемы: 1) как добыть горную породу, не нарушив ее целостности, что означает запрет на применение мощных взрывов, и 2) как вести разработку, чтобы природные трещины в горной породе помогали, а не были помехой при добыче камня?
Дробленые горные породы. Дробленый камень (бутовый камень, щебенка) производится в огромных количествах: в одних только Соединенных Штатах в 1982 г. его добывалось 800 млн. т, а показатель для всего мира превышает 2,5 млрд. т. Немногим более века прошло со времени Эли Уитни Блейка, который в 1858 г. изобрел дробильную машину, чтобы облегчить изнурительное, непроизводительное ручное дробление и получать щебенку, необходимую для постройки шоссе длиной две мили из Нью-Хейвена до Уэствилла (шт. Коннектикут). До этого времени все породы дробились вручную.
Дробленый камень используется главным образом для отсыпки полотна дорог и в качестве заполнителя в бетоне, хотя около 14 % камня, в основном известняка, используются в качестве сырья для производства цемента. Наиболее широко используемые типы пород — известняки и доломиты, которые легко добываются и дробятся, но отличаются высокой прочностью. Базальт и другие темноокрашенные тонкозернистые изверженные породы, обычно называемые в строительной индустрии трапповыми, стоят на втором месте. Единственное требование, предъявляемое к этому виду сырья, — выход пород на поверхность. Камнедробилки каждый может видеть (и слышать!) в любом месте земного шара.
Песок и гравий. Песок и гравий, подобно дробленому камню, широко используются для отсыпки полотна высокоскоростных дорог и в качестве заполнителей для бетона, а требуются даже в больших количествах. В 1982 г. общее их потребление в США составило 835 млн. т. Пески состоят из минеральных зерен диаметром менее 2 мм; частицы, минералов и горных пород в гравии по размерам больше. Тоннаж потребляемого гравия в два раза больше, чем песка.
Залежи песка и гравия порождаются потоками воды. Свою округлость зерна получают под воздействием постоянного и быстрого движения воды, а разделение по размерам осуществляется по весу обломков. Более мелкие зерна уносятся в низовья рек или в море. Местные ресурсы песка и гравия могут быть ограниченными, особенно в равнинных районах и в местах, лишенных крупных рек. Там, где ресурсы суши истощаются слишком быстро, можно разрабатывать прибрежные морские песчаные банки. Интересная ситуация сложилась в прибрежных областях, расположенных выше 40° с. ш. в Европе и Северной Америке. Из-за большой плотности населения здесь высокие потребности в песке и гравии. Однако известно, что в этих широтах на континентальных окраинах (шельфах) имеются крупные месторождения песка и гравия, которые сформировались во время последней ледниковой эпохи. В этих районах можно либо добывать камень в карьерах и дробить его, либо добывать песок и гравий драгированием со дна моря. В настоящее время ежегодно на западном побережье Европы вычерпываются песок и гравий на сотни миллионов долларов. В небольшом масштабе драгирование ведется в Северной Америке, и ожидается, что оно возрастет в ближайшие годы, особенно на побережье штатов Нью-Джерси, Нью-Йорк и Новая Англия.
Гравийные отложения редки или совсем отсутствуют на тропических побережьях. Например, вокруг Мексиканского залива пески можно найти в дельтах рек, а гравий практически не встречается. Изверженные и метаморфические горные породы не выходят на поверхность побережья Мексиканского залива, поэтому нет исходных твердых пород, которые бы разрушались. В этих условиях грубым строительным материалом являются только древние пласты ракушечника, сложенного в основном раковинами устриц, клам (двустворчатый моллюск. — Прим. перев.) и обломками коралловых рифов. Из-за ограниченности запасов этих материалов такие районы, как южный Техас, Луизиана и Флорида, вынуждены ввозить гравий или дробленый камень.
Продукты переработки горных пород
Продукты переработки горных пород используются с того дня, когда некто впервые слепил из глины предмет и обжег его в очаге. В настоящее время перерабатывается и используется исключительно широкая гамма материалов, но только пять их видов имеют особо важное значение.
Цемент. Слово цемент относится к вяжущим материалам. Отдельно цемент не используется, а добавляется к песку, гравию, щебню, ракушкам и другим заполнителям, чтобы сделать известковый раствор или бетон своеобразным «мгновенным камнем». Бетон должен содержать не менее 15 % цемента.
Предшественник современного цемента был открыт инженерами Древнего Рима. Они обнаружили, что вода, добавленная к смеси негашеной извести (СаО, получаемой нагреванием или кальцинированием известняка) и измельченного вулканического стекла из окрестностей Поццуоли (вблизи Неаполя), вызывает серию реакций, которые приводят к раскристаллизации и отвердению смеси. Получающаяся масса оказалась устойчивой и в воде, и на воздухе. Этот цемент, известный под названием пуццолановый цемент, римляне использовали во многих своих инженерных шедеврах. Еще и сегодня, правда в небольших масштабах, применяются подобные материалы. В пуццолановом цементе один из ингредиентов (негашеная известь) кальцинируется, чтобы перевести его в форму, способную к реакции; другой ингредиент — вулканическое стекло — является природным реагентом. Правда, вулканическое стекло также существенно кальцинировано природными процессами в ходе вулканического извержения. И не сразу был поставлен вопрос, все ли ингредиенты должны быть кальцинированы, если составы исходных пород выбраны правильно? Когда римляне ответили на этот вопрос, они тем самым открыли секрет приготовления цемента.
В период средневековья «секрет» был утерян, а затем вновь открыт в 1756 г. Джон Смитон, британский инженер, привлеченный для проектирования и строительства Эддистонского маяка, искал вяжущие материалы, которые могли бы твердеть и оставаться прочными в морской воде. Говорят, что он переоткрыл формулу римского цемента, читая латинские документы. В Европе цементы вскоре стали популярны и были объектом многочисленных экспериментов. В 1824 г. другой англичанин Джозеф Аспидин запатентовал формулу портландцемента, называемого так за цветовое сходство с портландским камнем — известняком, широко использовавшимся в строительстве. Портландцемент вскоре вытеснил все другие виды цемента и сегодня является самым распространенным конструкционным материалом в мире. Цемент применяется в два раза больших количествах, чем все другие вместе взятые конструкционные материалы.
Производство портландцемента растет неравномерно, но непрерывно по мере роста народонаселения и внедрения технологических новшеств. Ожидается, что рост будет продолжаться, особенно в тех странах, где уровень жизни поднимается наиболее быстро. Неудивительно, что: крупнейшими производителями и потребителями цемента являются промышленно развитые страны.
Портландцементы имеют широкий ряд составов в зависимости от области их применения. Они получаются нагреванием размолотых пород определенного состава до температуры приблизительно 1480 °С. В результате такого прокаливания из породы удаляется вода и двуокись углерода и происходит ее частичное плавление до стекла. Образующийся в результате клинкер дробится до пудры, после чего он готов к использованию; когда пудра смешивается с водой, происходит серия химических реакций, в ходе которых образуются новые соединения, и за счет срастания кристаллов повышается твердость застывающей массы.
Типичные смеси материалов, необходимых для производства широко используемого портландцемента.
Исходным материалом для портландцемента служит соответствующая смесь доломита или известняка (или слегка доломитизированного известняка) со сланцем или глиной. Поскольку главным ингредиентом является известняк, цементные заводы обычно располагаются вблизи подходящих его источников, а другие ингредиенты подвозятся. Самым лучшим сырьем является частично загрязненный известняк, в котором примесь представлена глиной требуемого состава. Залежи такого сырья встречаются часто, и за счет пород цементного состава в настоящее время производится приблизительно 20 % продукции цемента.
Алебастр. Алебастр, получаемый путем нагревания или кальцинирования гипса (CaSO4∙2H2O), — один из старейших строительных материалов. В 1982 г. мировое производство алебастра составляло 75 млн. т и продолжает неуклонно расти. Кальцинирование гипса при 177 °С быстро высвобождает 75 % воды и превращает гипс в новое соединение 2CaSO4∙H2O, которое обычно называют парижским алебастром (в честь знаменитых гипсовых карьеров на севере Парижа, из которых добывался гипс и затем производился алебастр особенно высокого качества). Когда парижский алебастр смешивается с водой, он превращается в тонкозернистую массу мельчайших сросшихся кристалликов гипса. Алебастр может использоваться отдельно, смешиваться с песком или монтироваться в оклеенные бумагой плиты сухой штукатурки, готовые к сборке. Кроме того, существуют и другие области применения алебастра. Приблизительно 20 % его используются в сельском хозяйстве в качестве добавок в почвы для нейтрализации щелочности, а подавляющая часть добавляется в цемент, чтобы замедлить процесс его застывания.
Уже рассматривалось осаждение CaSO4 в эвапоритах. Осаждение может происходить в одной из двух форм — гипса или ангидрита CaSO4, называемого так потому, что он не содержит кристаллизационной воды. Какая из двух форм осаждается, определяется температурой. Для ангидрита благоприятны более высокие температуры; в жарком климате, где образуется основная часть эвапоритов, ангидрит является обычным минералом. Ангидрит проявляет тенденцию к гидратации и превращению в гипс аналогично тому, как это происходит с парижским алебастром; большая часть сырья, которая сейчас добывается в виде гипса, первоначально была ангидритом.
Гипс и ангидрит широко распространены; они встречаются чаще, чем соль, но реже, чем известняк, и известны во всем фанерозойском разрезе. Опубликованная Геологической службой США карта ресурсов показывает, что примерно 10 % территории страны подстилаются гипсоносными породами, что свидетельствует о больших потенциальных ресурсах. Так, по оценке Горного бюро США, запасов в одних только Соединенных Штатах хватит на 2000 лет при предполагаемых уровнях производства.
Глины. В настоящее время применяется такое множество строительных огнеупорных керамических материалов, что было бы бессмысленно обсуждать каждый из них в отдельности. Большая их часть получается из глины, которой можно придать требуемую форму, после чего произвести обжиг до твердого состояния. Получаемые таким образом кирпичи применялись по меньшей мере со времен Вавилонского царства. Самые ранние кирпичи были не очень крепкими, так как они подвергались сушке только на солнце. Позднее, особенно в эпоху расцвета Римской империи (примерно 2000 лет назад), высокая прочность кирпича достигалась печным обжигом и покрытием поверхности глазурью. В средние века искусство кирпичного дела по существу было утеряно. Со временем в Европе в XIII в. Была возрождена индустрия изготовления обожженных кирпичей. Добыча глины для строительной керамики постоянно увеличивалась — сначала для изготовления кирпичей, а позднее для производства черепицы, дренажных труб и других целей. В 1982 г. добыча одной лишь глины составляла 35 млн. т. Из них 65 % использовались для производства строительных керамических изделий, таких, как кирпичи, канализационные трубы, кафель и специальные виды цемента. Большая часть глины используется также в производстве высококачественной керамики, облегченных бетонов, наполнителей для бумаги, пластмасс, резины и краски, в качестве абсорбентов экскрементов на фермах и при очистке нефти, в глинистых промывочных растворах при бурении нефтяных скважин и в производстве глиняной посуды.
Глины образуются в процессе выветривания на поверхности Земли. Они могут накапливаться в виде остаточных месторождений или переноситься и откладываться в виде осадочных глинистых пластов. И перенесенные, и остаточные глины вскоре начинают литифицироваться; по мере захоронения они дегидратируются, прогреваются и становятся твердыми породами. Среда их нахождения — земная поверхность и неглубокие зоны земной коры. Поэтому, подобно другим ресурсам строительных материалов, глины обычно добываются из поверхностных месторождений в крупных карьерах, которые не должны быть слишком удалены от потребителя.
Запасы глин настолько велики, что лишь немногие страны пытались оценить их. В США, например, по данным Горного бюро, одних только запасов более чем достаточно для добычи в XXI в. при предполагаемой скорости роста потребления. Потенциальные ресурсы — гораздо больше.
Стекло. Не сразу можно сообразить, что стекло как промышленный продукт относится к той же категории, что кирпич и цемент, но его производство базируется на аналогичном сырье и получается оно сходным образом. Сейчас стекло успешно конкурирует со многими более древними и более традиционными конструкционными материалами, и его потребление быстро растет.
Стекло получают плавлением горных пород или минералов, при этом закалка их столь быстра, что зародыши кристаллов не успевают возникнуть. С одними материалами эти процессы идут быстрее, чем с другими, но особенно быстро — с кремнеземом SiO2, получаемым обычно из кварца песчаных пород. Кварц имеет очень высокую точку плавления (1713 °С), для снижения которой в исходный материал добавляют ингредиенты типа СаО (из известняков), Na2O (из карбоната натрия) и буру.
Асбест. Асбест — название волокнистых разновидностей многих минералов. Один из них — хризотил Mg3Si2O5[ОН]2 является волокнистой разновидностью серпентиновых минералов; он довольно распространен и имеет такие прекрасные физические свойства, что на него приходится более 90 % всех добываемых асбестов. Из других минералов, используемых благодаря своим асбестоформным свойствам, следует отметить крокидолит Na2Fe5Si8O22[ОН]2 и амозит [Mg, Fe]7Si8O22[ОН]2, которые добываются главным образом в ЮАР. Крепкие и гибкие, асбестовые волокна могут быть переработаны в пряжу, подобно органическим волокнам, таким, как хлопок и шерсть. Получаемые продукты не боятся огня, являются хорошими электро- и термоизоляторами, имеют прекрасные износостойкие свойства и не поддаются воздействию многих коррозионных сред. Асбестовые волокна вместе с цементом используются для изготовления прочных, коррозионноустойчивых труб, кафеля для пола и кровельной черепицы, прокладок, тормозных колодок и других предметов специального назначения. Волокна длиной более 1 см используются преимущественно для изготовления нитей, эти же волокна применяются для электрической изоляции и других целей. Короткие волокна, скрепленные инертным материалом, таким, как портландцемент, идут для производства труб, шифера и стенных панелей, а таким, как виниловые пластмассы, — для производства черепицы.
Крупные месторождения хризотил-асбеста образуются, по-видимому, только одним способом — в результате близповерхностной гидратации и изменения минералов в перидотитах. Самым крупным продуцентом асбеста является СССР. Второе место принадлежит Канаде, хотя она заметно уступает Советскому Союзу. Большая часть канадского хризотила извлекается из пояса измененных перидотитов, идущего в северо-восточном направлении через провинцию Квебек и протягивающегося в штат Вермонт, где прежде Соединенными Штатами велась небольшая добыча. Хотя серпентиниты не так уж редки в горных районах, асбесты по своим запасам сходны с редкими металлами —лишь небольшая часть серпентинитовых массивов содержит крупные, коммерчески выгодные для эксплуатации месторождения. Крокидолит, или голубой асбест, является продуктом метаморфизма низкой ступени; он встречается в полосчатых железистых кварцитах типа Лейк-Сьюпириор. Крупнейшие в мире запасы асбеста сосредоточены в двух ведущих по добыче странах — СССР и Канаде.
За последние годы добыча и применение асбестоподобных минералов заметно снизились, что отчасти объясняется замеченной их канцерогенностью. Существует ли такая опасность, присуще ли это свойство всем или только некоторым волокнистым минералам, связано ли оно с волокнами определенного размера — до конца не ясно, но пока не проведены серьезные проверки, можно полагать, что добыча асбеста не безопасное дело.
Неметаллические полезные ископаемые в будущем
Для большинства неметаллических полезных ископаемых будущее выглядит оптимистичным. Запасы их значительны, а потенциальные ресурсы еще больше. Некоторые виды сырья — типа строительного камня — настолько обильны, что нет необходимости в количественной оценке их запасов. Некоторые специалисты считают, что к неметаллическим полезным ископаемым следует относиться так же, как к месторождениям распространенных металлов, и что общество должно искать пути использования неметаллического сырья в качестве заменителей редких металлов и других ограниченных видов сырья. По-видимому, это возможно, ибо стеклянные волокна уже стали использоваться для передачи телефонных разговоров. Если замена металлов неметаллами получит широкое развитие, само общество, возможно, будет выглядеть совсем иначе, чем сейчас. Исследования в области материаловедения и научно-технический прогресс могут сделать неметаллические полезные ископаемые еще одним видом распространенных и пока неиспользуемых ресурсов.