В ГОСТ 8736—67 наряду с уже рассмотренным зерновым составом особое внимание обращено на генезис песка, который сообщается при запросах потребителю в виде петрографической и минералогической характеристик с обязательным указанием количества минералов: слюды, а также минералов, содержащих серу и различные руды. Причиной особого внимания к этому вопросу является исключительно большое различие в строительно-технических свойствах песков, отражающееся на качестве смесей и бетонов (растворов).
Как известно, песок — продукт разрушения монолитных горных пород. Естественно, что условия разрушения и исходные качества горных пород обусловливают различие в качестве песков. Зерна песка по минералогическому составу и виду могут быть: морские, озерные, речные, флювиогляциальные, ледниковые, золовые, вулканогенные и остаточные (существуют и иные классификации, в которых имеются названия дюнные, аллювиальные, элювиальные, моренные) . Морские пески чистые, однако их зерновой состав даже на одном месте нестабилен из-за влияния потоков в прибрежной зоне, систематически изменяющихся от погодных условий.
Как правило, пески смешаны с более крупными отложениями разрушенных горных пород — галечником и гравием. Морские пески чище речных и озерных; они могут залегать параллельно береговой линии в виде отдельных вытянутых линз. Для речных и морских (прибрежных) песков характерна достаточно хорошая сглаженность поверхности более крупных зерен. Зерна размером не крупнее 0,75 мм в силу того, что они систематически могут находиться во взвешенном состоянии, имеют угловатость — ребристость.
Однако в ряде случаев эта закономерность может нарушаться. Действительно, условия воздействия внешней среды весьма разнообразны. Например, в одном случае возможно воздействие только одной воды (отлив и прилив), в другом — высыхание влажных песков под влиянием движения воздуха, последующий перенос сухого песка и систематическое сухое трение частиц, окатывание их поверхности. Такой процесс типичен для пустынь, где образуются пески с хорошо окатанной поверхностью и размером мельче 0,75 мм — эоловые.
Флювиогляциальные, или водно-ледниковые, пески — продукт отложения разрушенных горных пород. Поверхность зерен таких песков окатана под воздействием длительных коррозионных процессов, перетирания при движении массы обломочного материала. На наиболее крупных обломках иногда можно увидеть следы от ледниковых царапин. Пески, добываемые в обширных районах Московской и Ленинградской областей по своему генезису флювиогляциальные.
Сравнительные испытания образцов бетона на таких песках, а также кварцевых песках—стандартных для испытания цемента, показали, что форма зерен имеет большое значение для повышения прочности бетонов (растворов). Благодаря разнообразию формы и поверхности зерен в бетоне (растворе) создается лучшее зацепление-сцепление цементного камня с песком. Сказанное также относится к пескам чисто ледникового генезиса. Испытание одного из цементов в растворах на Вольском кварцевом окатанном стандартном песке речного типа и на полиминеральном песке Таборского месторождения флювиогляциального генезиса показывает, какое значение для прочности бетонов (растворов) имеет форма зерен и качество их поверхности.
Эоловые пески имеют зерна округленной формы, так как в процессе образования они подвергались длительному воздействию ветра (в том числе воды на определенной стадии разрушения исходных горных пород). Аналог эоловых песков — барханный песок Кара-Кумов состоит только из зерен мельче 0,6 мм: 0,7% фракции размером 0,3 мм, 84,6% — фракции 0,15 мм и 15,4%—меньше 0,15 мм. Использование такого мелкозернистого песка показало, что расход цемента увеличивается больше чем на 40% по сравнению с cреднезернистыми стандартными песками, так как резко повышается содержание воды в бетоне.
Вулканические пески содержат вулканический пепел и лапилли. В зернах пепла можно заметить типичные эоловые признаки (округленность зерен) — форма зерен угловатая, так как они образованы при взрыве пород.
По форме зерен к вулканическим пескам близки элювиальные пески, зерна которых не окатаны, с острыми краями, угловатые. Характерно, что в них находятся тонкие пластинки разделившихся кусочков слюды; кварц, не имеющий спайности, представлен обломками неправильной формы; а минералы, обладающие спайностью (например, ортоклаз К2О-Аl2О3-бSiO2),— мелкими зернами, которые ограничены плоскостями спайности. Минералогический состав этих песков состоит преимущественно из пород, которые в этом месте постепенно разрушались, образовав месторождения. Качество элювиальных песков ниже, чем аллювиальных.
Остаточные пески откладываются преимущественно в жарком, сухом или холодном климатических районах, встречаются в умеренном; но влажном климате.
Из вышесказанного можно сделать вывод. Минералогический состав песков исключительно разнообразен, что связано с их генезисом: исходными горными породами, условиями разрушения, в том числе переноса — транспортирования частиц и их отложения.
Песок рек средней полосы СССР (Вольский кварцевый) в основном состоит из кварцевых округлых зерен, угловатых зерен кремния, которые в отличие от зерен других минералов, например роговой обманки, полевого шпата (ортоклаза и группы минералов плагиоклаза), слюды, не подвергаются коррозии. Для песков рек Урала характерно наличие большого количества крупных частиц окремнелых пород (например, зерен роговиков), кварца, обломков песчаников и пылеватых частиц; в песках р. Кубани (в пойменной и надпойменной террасах) встречаются зерна кварца и обломки амфиболитов, полевых шпатов и ряда других горных пород и минералов; в песках по р. Днепр минералогический состав меняется; так, в нижней части реки в зернах размером 0,15—0,3 мм преобладает до 95% кварца, до 4% полевого шпата, отсутствуют глинистые частицы и слюда, до 0,3% рудных минералов и амфиболов; в верхней части реки в этих же фракциях обнаружено до 80% кварца, около 14% полевых шпатов, около 1% глинистых частиц, 0,03% слюды, 2% рудных минералов, амфиболов, обломков пород. Сказанное фиксирует наше внимание на изменении минералогического состава песка не только по длине рек, но и по его фракциям в одном и том же месторождении.
Характерным признаком такой дифференциации состава зерен является стойкость минералов и горных пород против эрозии. Анализ состава песков Кавказского района (по р. Ингури), где для песчаных отложений рек характерно высокое содержание зерен из сланца, показал, что: 1) для обломков горных пород характерно систематическое увеличение содержания сланца при уменьшении размера зерен (от 8,2% зерен 2,5—1,2 мм до 40% зерен 0,3— 0,15 мм) и во фракциях мельче 0,6 мм отсутствие обломков таких горных пород, как излившихся эффузивных, кварцитов, песчаников; 2) для отдельных минералов характерно систематическое увеличение содержания кварца по мере уменьшения размера зерен, например с 23% кварца в зернах размером 2,5—1,2 мм до 59% в зернах размером 0,3—0,15 мм.
После породообразующих минералов группы полевых шпатов (ортоклаза и плагиоклазов) кварц наиболее распространенный минерал в литосфере. Он химически стоек к большинству реагентов. Отсутствие спайности и высокая твердость (по шкале Мооса твердость кварца равна 7) обеспечивают его стойкость против эрозии. Кварц — существенная составная часть многих горных пород различного генезиса (магматических, осадочных, метаморфических), он встречается как акцессорный и вторичный минерал, например, в метасоматических образованиях и других местах. В его составе примерно 100% Si02. Кварц в виде песка встречается в таких осадочных (вторичных) породах, как песчаник. Содержание кварца в граните доходит до 40% (при содержании полевого шпата, в частности ортоклаза, 40—60%). При разрушении в граните полевого шпата наряду с другими минералами, например ортоклазом, протекает реакция, которая приводит к образованию обломочных пород, содержащих зерна кварца (практически близкие к размерам исходных зерен) и другие минералы измененных размеров: K20-Al203-6Si02+nH20+C02 = Al203-2Si02-2H20+ K2C03+ 4Si02-mH20.
В такой породе, как габбро, нет зерен кварца. Следовательно, ее эрозия за геологические периоды при образовании обломочных рыхлых пород не покажет в них кварцевой составляющей. Минералогический состав песка также влияет на технические свойства бетона, в частности, обусловленные не только прочностью отдельных зерен песка, но и условиями контакта их поверхности с цементным тестом и цементным камнем.