Природные каменные материалы и изделия

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Природные каменные материалы и изделия

Горной породой называют минеральную массу более или менее постоянного состава, состоящую из одного -- мономинерального или нескольких -- полиминеральных минералов. Примером мономинеральных горных пород являются кварцевые пески, химически чистые гипс, магнезит, а полиминеральных -- гранит, базальт, порфиры.

Минералом называют природное тело, однородное по химическому составу и физическим свойствам. Минерал является продуктом физико-химических процессов, совершающихся в земной коре.

Благодаря повсеместной распространенности в природе и разнообразным физико-механическим свойствам природные каменные материалы широко применяют для строительных целей. Их используют без обработки (гравий, песок) или подвергают механической обработке (дроблению, распиловке, отеске, шлифовке), получая щебень, плиты, штучные камни, различные архитектурно-декоративные детали. Горные породы являются также основным сырьем для получения минеральных вяжущих веществ -- гипса, извести, цемента и в производстве искусственных каменных материалов -- кирпича, стекла, изделий из бетонов и растворов.

Изучение свойств природных каменных материалов существенно облегчается, если основываться на классификации горных пород. В основу классификации горных пород положено их происхождение (генетическая классификация). Происхождение и условия образования горных пород предопределяют их химико-минералогический состав, кристаллическое строение и структуру. Эти показатели характеризуют прочность, долговечность, декоративные качества горных пород и являются исходными при выборе и технико-экономической оценке горных пород для различных конструкций зданий и сооружений.

2. Классификация горных пород

Согласно генетической классификации, горные породы подразделяются на три большие группы: изверженные, осадочные и метаморфические.

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубин Земли и отвердевшей при остывании. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных пород с различным строением и свойствами. Глубинные породы, образование которых происходило под значительным давлением верхних слоев, остывали медленно и сравнительно равномерно. Такие условия были благоприятны для кристаллизации минералов, составляющих горную породу. В связи с этим глубинные породы массивны, плотны и состоят из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов; они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглощением и большой теплопроводностью. Глубинные породы имеют зернистое кристаллическое строение, называемое еще гранитным -- от названия наиболее распространенного представителя этих пород -- гранита.

Излившиеся породы образовались на поверхности земли при отсутствии давления и при быстром охлаждении магмы. Некоторая часть магмы, излившаяся на поверхность, уже содержала кристаллы отдельных минералов. Поэтому в большинстве случаев излившиеся породы состоят из отдельных хорошо сформированных кристаллов, вкрапленных в основную скрытокристаллическую массу; такое строение называют порфировым по аналогии с широко распространенными среди этой группы пород порфирами. В тех случаях, когда излившиеся породы застывали мощным слоем, их строение было сходно с глубинными породами. Если же слой был сравнительно тонок, то охлаждение происходило быстро и масса их оказывалась стекловатой, а верхние слои излившейся лавы становились пористыми вследствие энергичного выделения газов из магмы при уменьшении давления. Обломочные породы образовались при быстром охлаждении раздробленной, выбрасываемой при извержении вулканов лавы (пемза, вулканический пепел). Часть обломочных пород (вулканического пепла) подверглась цементированию, образуя вулканические туфы.

Осадочные горные породы образовались при осаждении веществ из какой-либо среды, главным образом водной. Осаждение происходило периодами в виде отдельных слоев и пластов. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на три группы: химические, органогенные и механические.

Химические осадки представляют собой горные породы, образовавшиеся при осаждении минеральных веществ из водных растворов с последующим их уплотнением и цементацией (гипс, ангидрит, известковые туфы и др.).

Органогенные породы образовались в результате отложения остатков некоторых водорослей и животных организмов с последующим их уплотнением и цементацией (большинство известняков, мел, диатомиты и др.).

Механические отложения образовались в результате осаждения или накопления рыхлых продуктов при физическом и химическом распаде горных пород. Часть из них подвергалась в дальнейшем цементированию глинистым веществом, железистыми соединениями, карбонатами или другими углеродными цементами, образуя цементированные осадочные породы -- конгломераты, брекчии.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате более или менее глубокого преобразования изверженных или осадочных горных пород под влиянием высоких температуры и давления, а иногда и химических воздействий.

В этих условиях может происходить перекристаллизация минералов без их плавления; получающиеся при этом породы обычно более плотны, чем исходные осадочные. В процессе метаморфизма происходило изменение структуры горных пород. В большинстве случаев метаморфические породы отличаются сланцеватой структурой.

Породообразующие минералы

Строительные свойства горных пород в значительной степени зависят от их минералогического состава. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям(слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят, и т. д.

Отличительными показателями минералов служат их химический состав и физические свойства -- плотность, твердость.

Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть принимает основное участие в образовании горных пород. Поэтому эти минералы названы породообразующими (полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты).

Кварц по химическому составу представлен диоксидом кремния SiO2. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы (кварцевых песка и стекла, горного хрусталя) или входящий в состав полиминеральных горных пород. Плотность кварца 2650 кг/м3, твердость 7, предел прочности при сжатии около 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой, и обладает высокой атмосферостойкостью. При температуре 18...20°С кварц не реагирует с известью Са(ОН)2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150... 200 °С вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Этим свойством кварца пользуются, получая искусственные каменные материалы из смеси кварцевого песка и извести, называемые силикатными. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при температуре 575 °С кварц из b-модификации переходит в а-модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870 °С кварц переходит в тридимит, значительно увеличиваясь в объеме, так как плотность тридимита равна 2260 кг/м3, b - кварца -- 2650 кг/м3. При температуре 1710 °С кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.

Полевые шпаты по химическому составу представляют собой алюмосиликаты -- соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6. По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы -- прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы -- косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит, или натриевый полевой шпат, и анортит, или кальциевый полевой шпат. Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120...170 МПа, плотность -- от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м3 (анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются, т. е. разрушаются под действием атмосферных агентов -- влаги, углекислого газа. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит, входящий в состав глин, а иногда и кальцит.

Слюды -- водяные алюмосиликаты сложного и разнообразно го состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотите содержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего биотит непрозрачен и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковит прозрачен, так как не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760... 3100 кг/м3, а биотита 2800...3200 кг/м3, твердость 2...3. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах.

К железисто-магнезиальным минералам относятся пироксены (наиболее распространенный представитель -- авгит), амфиболы (роговая обманка) и оливин. Железисто-магнезиальные минералы имеют сложный химический состав; в основном это силикаты магния и железа. Они имеют темную окраску зеленого, бурого, а иногда и черного цвета. Плотность 3000...3600 кг/м3, твердость 5,5...7,5. Минералы этой группы (за исключением оливина) обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Продуктом выветривания оливина является серпантин, одна из разновидностей которого, хризолит-асбест, имеет волокнистое строение и состоит из тончайших, очень прочных волокон. Перечисленные минералы входят преимущественно в состав изверженных горных пород.

Важнейшими породообразующими минералами осадочных горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.

Кальцит (известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворим в воде (0,03 г в 1 л), бурно реагирует с кислотами. Вода, действует на кальцит разрушающе, так как при этом образуется кислый углекислый кальций, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаСО3.

Магнезит в отличие от кальцита встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.

Доломит -- минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту.

Гипс представляет собой минерал пластинчатого,волокнистого или зернистого строения, плотность 2300 кг/м3, мягкий -- твердость 2. Гипс имеет белый цвет, иногда окрашен примесями в различные цвета: серый, красноватый, желтоватый и черный. Гипс обладает сравнительно легкой растворимостью в воде (примерно в 75 раз большей, чем кальцит).

Ангидрид -- безводная разновидность гипса. Плотность ангидрита 2800...3000 кг/м3, твердость 3...3,5; цвет от красновато-белого до серого. При длительном воздействии воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.

Каолинит представляет собой водный силикат алюминия. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветны, а сплошная масса может иметь белый, желтоватый, буроватый и голубовато-зеленоватый цвета. Твердость 2,5.

Пирит, серный колчедан, апатит (кальциевая соль фосфорной кислоты) и другие встречаются в горных породах в качестве второстепенных минералов.

Изверженные горные породы

Среди изверженных горных пород различают массивные и обломочные, образовавшиеся в результате разрушения массивных пород.

Массивные глубинные горные породы (граниты, сиениты, диориты и габбро) образовались в результате медленного охлаждения магмы на большой глубине под значительным давлением и в результате этого полной кристаллизации ее. Все глубинные породы характеризуются высокой плотностью и ярко выраженной кристаллической (крупнокристаллической) структурой.

Гранит -- наиболее распространенная глубинная горная порода, состоящая в основном из кварца, полевого шпата и слюды. Иногда слюда заменена темноокрашенными (железисто-магнезиальными) минералами. Цвет гранита зависит от главной составной части -- полевого шпата и наличия темных минералов. Он бывает серый, красный и пр. Зерна минералов имеют настолько прочную спайность, что излом чаще происходит не по плоскости спайности, а по зернам минералов. Плотность гранита в среднем 2600 кг/м3, предел прочности при сжатии 100...300 МПа при расширении 1/40 - 1/60 предела прочности при сжатии. Большая механическая прочность, стойкость против выветривания и морозостойкость обусловливают высокие строительные свойства гранита и изготовленных из него строительных материалов и изделий. Гранит применяют для изготовления облицовочных плит, лестничных ступеней, полов, бортовых камней, щебня и др. Гранит используют при строительстве гидротехнических сооружений и сооружений памятников.

Сиенит состоит в основном из полевого шпата (ортоклаза) и какого-нибудь темноокрашенного минерала. Строение сиенита сходно с гранитом. Плотность 2400...2900 мг/ма, предел прочности при сжатии 150... 200 МПа. Сиениты мягче гранитов, лучше поддаются полировке, обладают большей вязкостью. Используют сиениты наряду с гранитами. Между гранитами и сиенитами имеются переходные разности -- граносиениты.

Диориты по минералогическому составу представлены плагиоклазом, роговой обманкой, реже -- биотитом и авгитом. Цвет диорита от темно-зеленого до черно-зеленого. Плотность 2700...2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 180...200 МПа, Диориты трудно обрабатываются, обладают большим сопротивлением истиранию, хорошо полируются, стойки против выветривания. Применяют диорит в дорожном строительстве и в виде облицовочных плит.

Габбро -- кристаллическая горная порода, состоящая в основном из плагиоклаза и темноокрашенных минералов (пироксены в виде авгита). Реже в состав габбро входят биотит и роговая обманка. Цвет габбро может быть от серого и зеленого до черного. К группе габбро относится также лабрадорит -- горная порода, состоящая в основном из минерала Лабрадора (разновидности полевого шпата) серого, зеленовато-серого или темного цвета с синим отблеском на плоскостях спайности. Плотность габбро очень высокая и равна 2900...3160 кг/м3; предел прочности при сжатии 100...280 МПа, а иногда и до 350 МПа. Габбро стоек против выветривания, трудно обрабатывается, но дает хорошую долговечную полировку. Применяют его для гидротехнических и других видов сооружений в виде разнообразных строительных материалов -- щебня, облицовочных плит и т. д. Лабрадорит, обладающий красивой расцветкой, используют как облицовочный материал.

Излившиеся горные породы образовались при остывании магмы, излившейся на поверхность земной коры. Структура излившихся пород может быть полукристаллической, зернистой и стекловатой. Излившиеся породы имеют химический и минералогический составы такие же, как и глубинные, обладают примерно теми же физико-механическими свойствами, но отличаются мелкокристаллической (до стекловатой) структурой.

Кварцевый порфир -- аналог гранита -- имеет стекловатую структуру с вкраплением крупных зерен кристаллов кварца. При выветривании эти зерна могут выпадать из основной массы горной породы. Плотность 2400...2600 кг/м3, предел прочности при сжатии 130...180 МПа. Используют его в виде щебня или штучного камня. Наряду с кварцевым порфиром существует бескварцевый порфир (аналог сиенитов), в котором кварц отсутствует.

Трахит -- горная порода, по химико-минералогическому составу сходная с порфиром, но образовавшаяся в более поздние геологические периоды. Трахит отличается высокой пористостью и относительно низким пределом прочности при сжатии -- 60... 70 МПа.

Диабаз -- аналог габбро -- состоит из плагиоклаза и авгита и имеет в своем составе примеси кварца и роговой обманки. Плотность 2800...3000 кг/м3, предел прочности при сжатии 200... 300 МПа, цвет темно-серый. Диабаз хорошо полируется. Применяют его в виде щебня, штучных камней, плит, брусчатки, в качестве облицовочного материала. Из расплавленного диабаза при температуре 1200... 1350 °С отливают различные изделия. Плавленый диабаз стоек к кислотам и щелочам, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Прочность плавленого диабаза составляет около 500 МПа.

Базальт по химическому и минералогическому составу является аналогом габбро. Имеет темный цвет, скрытокристаллическую структуру с некоторым количеством вулканического стекла и состоит из плагиоклаза и авгита. Плотность 2700... 3300 кг/м3, предел прочности при сжатии 100... 150 МПа. Высокая твердость и прочность базальтов позволяет использовать их в качестве материалов для дорожных покрытий. Применяют базальт как сырье для изготовления каменного литья.

Порфирит и андезит -- аналоги диорита. Порфирит -- более старая, а андезит -- более молодая горные породы; цвет их серый, серовато- и желтовато-зеленый. Плотность 2200... 2800 кг/м3, предел прочности при сжатии 60...240 МПа. Порфириты применяют в качестве облицовочного материала, щебня и дорожной брусчатки, а андезит (как кислотостойкий материал) -- в качестве заполнителя в кислотоупорных бетонах, а также для специальных облицовок.

Обломочные породы делят на рыхлые (пемза, вулканические пеплы и др.) и цементированные (вулканический туф).

Пемза образовалась при быстром остывании магмы и интенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу. Последующее быстрое остывание вспученных кусков магмы приводит к образованию стекловидной пористой породы. Цвет пезмы серый, черный и иногда белый. Пемза состоит из кремнезема (до 70%) и глинозема (до 15%). Залегает пемза в виде обломков размеров 5...50 мм в диаметре, выброшенных во время извержения вулканов. Плотность пемзы в куске 400... 1400 кг/м3, пористость до 80 %, предел прочности при сжатии 0,4...2,0 МПа, твердость 6. Используют пемзу как щебень для легких бетонов, в качестве теплоизоляционного материала, а также как активную минеральную добавку к извести и цементам.

Вулканический пепел встречается в виде порошка от серого до черного цвета. Применяют для получения легких растворов и бетонов, а также в качестве активной минеральной добавки к вяжущим веществам.

Вулканические туфы -- сцементированная туфовая лава, образованная при примешивании во время извержений к жидкой лаве пепла и песка. В результате быстрого охлаждения туфы имеют стекловидное строение. Типичным представителем вулканического туфа является артикский туф (по наименованию месторождения, расположенного близ г. Артик в Армении). Плотность туфа в куске 1250...1350 кг/м3, пористость 40...70%, предел прочности при сжатии 8... 19 МПа и выше, теплопроводность 0,21...0,33. Цвет розовато-фиолетовый. Применяют туф в качестве песка или щебня для легких бетонов и растворов, крупных стеновых блоков, а также активной добавки к воздушной извести или цементу. Высокие декоративные качества и морозостойкость позволяют широко применять туф в качестве облицовочного материала для фасадов зданий.

Осадочные горные породы

Осадочные горные породы образовались в результате осаждения солей в высыхающих водоемах -- химические осадки, скопления остатков растительного и животного мира -- органогенные, а также в результате разрушения массивных горных пород магматического или осадочного происхождения -- обломочные.

К химическим осадкам относят гипс, ангидрит, магнезит, доломит и известковые туфы.

Гипс -- горная порода, состоящая из минерала того же названия. Гипс применяют для производства воздушного вяжущего -- строительного гипса, а также в качестве облицовочного материала внутренних частей зданий в виде искусственного мрамора.

Ангидрит состоит из одноименного минерала -- ангидрита. Применяют его в качестве облицовочного материала, а также сырья для производства ангидритового цемента. Магнезит состоит из минерала того же названия -- магнезита. Иногда он содержит примеси углекислых кальция и, железа. Твердость магнезита 3,5...4,0; цвет белый, от желтоватого до бурого. Применяют магнезит в качестве сырья для производства воздушного вяжущего -- каустического магнезита и огнеупорных материалов.

Доломит состоит в основном из минерала доломита с примесями глинистого, железистого, кремнистого и других веществ. Цвет серый, от желтоватого до бурого. Структура зернистая. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, иногда они обладают и более высокими, чем известняки, механическими свойствами. Применяют доломит для производства щебня, изготовления облицовочных плит, огнеупоров и вяжущих материалов.

Известковые туфы образовались при выделении СаСO3 из кислого уклекислого кальция, растворенного в воде. Очень пористые известковые туфы используют как сырье для получения извести, а плотные с мелкими равномерно расположеннымипорами туфы применяют в виде штучных камней для кладки стен и в качестве щебня для легких бетонов.

К органогенным породам относят различные карбонатные и кремнистые породы. Для строительных целей используют известняки, известняки-ракушечники, мел, диатомиты и трепелы.

Известняк образовался в водных бассейнах из остатков животного и растительного мира (или как продукт химических осадков). Рыхлые скопления раковин и их осколков скреплялись углекислым кальцием. Известняк состоит в основном из минерала кальцита СаСО3 и примесей глины, доломита, кварца и др. Плотность известняка 1700...2600 кг/м3, прочность при сжатии 10... 100 МПа. Цвет белый, от желтоватого до бурого. Известняк используют для производства щебня, облицовочных плит и архитектурных деталей, а также для производства извести и портландцемента.

Известняк-ракушечник -- пористая горная порода, состоящая из раковин и их обломков, сцементированных известковым веществом. Плотность 900...2000 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,4... 15,0 МПа и более. Применяют для изготовления стеновых камней и блоков, а также в качестве заполнителя для легких бетонов.

Мел -- землистая горная порода, состоящая почти из чистого карбоната кальция. В качестве примесей встречаются глинистые вещества и зерна кварца. Мел обладает высокой дисперсностью. Цвет его белый. Применяют в качестве белого пигмента, для приготовления замазки, а также при производстве извести, портландцемента и стекла.

Диатомиты -- слабо сцементированная, очень пористая кремнеземистая порода, состоящая от панцирей диатомовых водорослей и частично из скелетов животных организмов. Плотность 400... 1000 кг/м3, пористость 60...70%.

Трепелы -- очень легкая глиноподобная порода, содержащая аморфный кремнезем в виде мельчайших шариков опала. Плотность 500...1200 кг/м3, пористость 60...70%, коэффициент теплопроводности 0,17...0,23.

Применяют диатомиты и трепелы для изготовления теплоизоляционных материалов, легкого кирпича, а также в производстве гидравлических вяжущих в качестве активных минеральных добавок.

Механические отложения образовались в результате физического выветривания горных пород под влиянием воды и температуры. Продукты разрушения переносились ветром и особенно водными потоками на различные расстояния и оседали. Так образовались глины, песок, щебень и гравий из массивных горных пород.

Химическое выветривание проявлялось в результате взаимодействия составных частей горных пород с различными веществами, находящимися в атмосфере. Так, полевой шпат (ортоклаз) под действием воды и углекислоты (находящейся в воздухе) разрушался, образуя минерал каолинит.

К физическому и химическому выветриванию (разрушению) горных пород часто присоединяется еще биохимическое выветривание, являющееся результатом жизнедеятельности животных и растительных организмов. В результате выветривания горных пород образуются дисперсные частицы, зерна и крупные обломки; некоторые из них цементируются глиной, кальцитом или кремнеземом, образуя цементированные горные породы. В зависимости от крупности зерен и цементации их различают следующие виды механических отложений осадочных горных пород.

Песок -- рыхлая смесь зерен различных пород крупностью 0,16 -- 5,0 мм. В зависимости от условий образования пески бывают горные, речные, морские, дюнные, барханные и др. Применяют для приготовления бетонов и растворов.

Гравий -- окатанной формы зерна крупностью 5...70 мм. Применяют в качестве заполнителя для бетонов.

Песчаники -- горная порода, состоящая из зерен кварца, сцементированная глинистым, кремнеземистым или известковым веществом. Прочность песчаника зависит от вида цементирующего вещества, крупности и формы сцементированных зерен. Наиболее прочные кремнеземистые песчаники имеют предел прочности при сжатии 200 МПа и более. Используют песчаники в качестве щебня для бетона, облицовки опор мостов и зданий, для дорожных покрытий, так как они имеют высокие морозостойкость и прочность при истирании.

Конгломераты -- горная порода, состоящая из сцементированных зерен гравия, а брекчия -- то же, из сцементированных зерен щебня. Конгломераты и брекчии используют в качестве щебня для бетонов, штучного камня и облицовочных плит.

Метаморфические горные породы

Метаморфические горные породы образовались из магматических и осадочных путем их преобразования под влиянием высокой температуры и давления. В строительстве применяют гнейсы, глинистые сланцы, мраморы, кварциты.

Гнейсы по минералогическому составу являются аналогами гранита и имеют сланцевое строение. Используют гнейсы преимущественно как облицовочные плиты, в виде бутового камня для кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий, для тротуаров.

Глинистые сланцы состоят из уплотненных сланцевых глин. Цвет темно-серый, иногда черный. Глинистые сланцы раскалы раскалываются на тонкие плитки, обладают высокой атмосферостойкостью и долговечностью, что позволяет использовать их в качестве кровельного материала.

Мрамор -- кристаллическая порода, образовавшаяся из известняков или доломитов. Кристаллы соединены без цементирующего вещества. Прочность мрамора до 300 МПа.Твердость небольшая -- 3,0...3,5. Он сравнительно легко пилится на плиты и хорошо полируется. Применяют мрамор для облицовки внутренних частей зданий, так как снаружи зданий полировка быстро утрачивается. Это объясняется слабой химической стойкостью мрамора при воздействии на него атмосферы.

Кварциты -- метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными и сросшимися зернами кварца, так что цементирующее вещество неразличимо. Кварциты стойки против выветривания, прочность достигает 400 МПа. Используют кварциты для облицовки зданий, опор мостов, а также как сырье для производства динасовых огнеупорных изделий.

3. Разработка и обработка природных каменных материалов

Горные породы, пригодные для изготовления каменных материалов, называют полезными ископаемыми. Породы, сопровождающие полезные ископаемые и не используемые для указанной цели, относят к пустой породе. Работы, связанные с добычей полезных ископаемых, называют горными работами. Выработанные пространства, образующиеся в процессе добычи полезного ископаемого, получили название выработок, разрабатываемые месторождения -- карьеров.

Добычу природных каменных материалов осуществляют главным образом, открытым способом. Разработку горных пород в карьерах ведут экскаваторами, гидромеханическим способом, камнерезными машинами, взрывным способом и т. д. Современные способы добычи основаны на широкой механизации всех производственных операций.

Выбор способа добычи природных каменных материалов зависит от вида горной породы, глубины и условий ее залегания, твердости и др. Рыхлые горные породы -- песок, гравий, глину -- добывают открытым способом с помощью различных машин, из которых наиболее распространенными являются одно- и многоковшовые экскаваторы, а также с помощью гидромеханизации. Сущность гидромеханизации заключается в том, что вода подводится к месту добычи грунта под давлением, создаваемым насосами, проходит через гидромонитор и, вылетая с большой скоростью из его насадки, производит размыв породы. Затем из смеси грунта с водой (пульпы) выделяется товарная продукция (песок или гравий).

Песок и гравий в карьерах классифицируют по крупности зерен на две фракции и более. Щебень получают дроблением горных пород, добываемых взрывным или другим способом. Поскольку нерудные материалы, поступающие с карьеров, по крупности, зерновому составу, количеству примесей обычно непригодны для непосредственного использования в бетонах, необходима их переработка, включающая операции по дроблению, фракционированию, выработке мелких фракций, мойке, обогащению и складированию. Дроблению подвергаются зерна горной породы крупностью до 1200...1500 мм. Для сборного железобетона используется щебень крупностью 5...40 мм. Существующие конструкции дробильных установок не могут обеспечить измельчение кускового материала необходимых фракций при однократном прохождении, поэтому применяют двух- или трехступенчатые схемы дробления. Для дробления используют дробилки щековые, конусные, валковые и ударного действия (молотковые и роторные). Выбор схемы дробления и типа дробильного оборудования производят с учетом свойств исходного сырья и условий обеспечения максимального выхода качественного по размерам и форме заполнителя.

Эффективность работы дробильных агрегатов повышается при многоступенчатом дроблении с применением классификаторов, например виброгрохотов. Дробление нерудных материалов, как правило, производят в стационарных установках на заводе, однако в последнее время все большее применение находят передвижные дробильные установки. Простейший вид классификации -- грохочение; с его помощью производят разделение материала на фракции заданных размеров. На предприятиях нерудных строительных материалов широко применяют плоские вибрационные грохоты. Для получения чистых, свободных от примесей заполнителей окончательное грохочение совмещают с промывкой. После дробления и грохочения в материале остаются загрязняющие примеси в виде глины, ила и др., ухудшающие качество заполнителя. Для промывки нерудных строительных материалов широко используют наклонные лопастные двухвальные корытные мойки, а также барабанные промывочные машины. Барабанные промывочные машины в зависимости от направления движения отработанной воды со шламом бывают прямоточные и противоточные. Более эффективны противоточные машины, они выдают чистый заполнитель различной степени крупности от мелкого до 350 мм. В последнее время получили распространение вибрационные промывочные машины, как более эффективные, потребляющие относительно мало энергии и воды, и менее металлоемкие. Эффективен в работе также виброкаскадный промывочный виброкаскадный промывочный грохот, который предназначен для промывки зерен крупностью до 100 мм с содержанием глины до 10%.

Наряду с грохочением применяется более точная гидравлическая классификация. Из гравитационных наиболее совершенны вертикальные классификаторы с восходящей струей. Классификация осуществляется в две стадии. Сначала пульпа разделяется в обогатительной камере, где основная часть мелких фракций выносится в слив, а оседающие крупные зерна песка поступают в классификационную камеру, где происходит окончательное разделение гидросмеси. Частицы крупнее заданного размера оседают к разгрузочному устройству, а мелкие -- восходящим потоком выносятся в слив. Центробежные классификаторы (гидроциклоны, центрифуги) используют для выделения из песка и разделения зерен крупностью 0,15...0,3 мм.

Обезвоживание нерудных материалов производят различными способами. Чаще применяют дренирование, широко используют для обезвоживания нерудных материалов сушку -- естественную (в штабелях) или искусственную (в сушильных барабанах).

Операции по технологической переработке нерудных материалов одновременно способствуют их обогащению и повышению качества, но существуют и специальные способы обогащения, рассчитанные на переработку особых видов сырья, например с высоким содержанием слабых пород, а также на получение специальных видов заполнителя, обогащение щебня в грануляторах, тяжелых средах и др.

Правильные условия складирования нерудных строительных материалов обеспечивают сохранность их высокого качества и уменьшают потери.

По способу хранения склады различают: открытые -- штабельные, штабельно-траншейные, штабельно-эстакадные; закрытые -- полубункерные, бункерные и силосные. Заполнители хранятся раздельно по видам, фракциям и сортам.

Массивные изверженные горные породы разрабатывают, как правило, взрывом, при отделении глыб слоистых, трещиноватых,- столбчатых пород применяют механические средства (клинья, механические лопаты и др.). Мягкие породы (известковые туфы и др.) добывают путем распиловки массива камнерезной машиной на блоки определенных размеров и правильной геометрической формы. При разработке месторождений некоторых разновидностей гранитов, туфов, мраморов (в открытых выработках) на штучный камень, плиты, блоки и т. д. применяют также способ распиловки породы механическими пилами.

4. Материалы и изделия из природного камня

природный камень горный строительство

Природные каменные материалы, обладая высокой атмосферостойкостью, прочностью и красивой окраской, широко применяют в строительстве в виде блоков для кладки стен и фундаментов зданий и сооружений, в виде облицовочных плит и камней для наружных и внутренних стен зданий и сооружений, при строительстве дорог, тротуаров, набережных, подпорных стенок и других сооружений, к материалам которых предъявляются особые требования по прочности долговечности и декоративности. В соответствии со СНиПом каменные материалы классифицируют по следующим признакам: плотности -- обыкновенные (тяжелые) с плотностью 1800 кг/м3 и более, легкие--менее 1800 кг/м3; пределу прочности при сжатии -- для обыкновенных 10...100 МПа, а для легких 0,4...20 МПа; степени морозостойкости -- обыкновенные тяжелые имеют марки F15...500; легкие -- F10...25; степени водостойкости (коэффициенту размягчения) -- 0,6...1.

Выбор горных пород для производства строительных материалов и изделий производят на основании результатов испытаний образцов из них и технико-экономического анализа, целесообразности использования данной породы в конкретных условиях.

Для кладки фундаментов и стен подземных частей зданий применяют бутовый, колотый и пиленый камень из плотных изверженных, осадочных и метаморфических горных пород.

Коэффициент размягчения камня, используемого для этих целей, должен быть не менее 0,7, морозостойкость -- не ниже F15. В зависимости от формы бутовый камень бывает рваный, постелистый и лещадный. Бутовый камень имеет размеры 150...500 мм.

Изделия и материалы, применяемые для кладки фундаментов и подземных стен, изготовляют из однородного камня, не имеющего следов выветривания, прослоек глины, а также расслоений и трещин. Для кладки надземных стен (устоев мостов, укреплений откосов насыпей и берегов рек, кладки подпорных стенок) и для дробления на щебень применяют пиленые и колотые штучные камни, получаемые из известняков, доломитов, песчаников, вулканических туфов.

Лицевая поверхность стеновых камней и крупных стеновых блоков должна отвечать требованиям декоративности. Известняки и туфы, применяемые для изготовления стеновых камней, должны иметь плотность 900...2200 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,4...50 МПа, морозостойкость не ниже F15, коэффициент размягчения 0,6...0,7. Размеры стеновых камней 390X190Х188 и 490X240X188 мм.

Крупные стеновые блоки изготовляют из горных пород с плотностью до 2200 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 2,5 МПа и выше. Крупные стеновые блоки, предназначенные для механизированной укладки, имеют размеры от 300X800X900 до 3000Х1000Х500 мм.

Облицовочные плиты и камни, элементы лестниц и площадок, парапетов и ограждений изготовляют из блоков природного камня путем их распиливания или раскалывания с последующей механической обработкой. В зависимости от физико-механических свойств и строения исходной горной породы блоки делят на четыре группы: I -- блоки из гранита, сиенита, диорита, лабрадорита, габбро, кварцита, базальта, диабаза; II -- блоки из мрамора, брекчии и конгломератов, карбонатных пород и гипсового камня; III -- блоки из известняка и песчаника; IV -- блоки из вулканического туфа.

Горные породы, применяемые для изготовления блоков, должны иметь предел прочности при сжатии не менее 5 МПа, морозостойкость не менее F15, коэффициент размягчения 0,7...0,9. Размеры и объем блоков зависят от горной породы, из которой они изготовлены. Наименьший размер блоков из туфа 0,2...0,4 м3, наибольший 0,7... 1,0 м3, а из гранита 0,5...3 м3.

Блоки, предназначенные для распиливания, не должны иметь сквозных трещин. Тонкие извилистые трещины, выходящие на две смежные грани, допускаются только в блоках из цветного мрамора.

Облицовочные плиты и камни изготовляют путем раскалывания или распиливания блоков-полуфабрикатов. Облицовочным плитам придают самую разнообразную фактуру лицевой поверхности: зеркальную (полированную), получаемую из плотных горных пород (гранита, лабрадорита, мрамора, мраморовидного известняка, брекчии, конгломерата) обработкой полировочным порошком с накаткой глянца; лощеную -- обработкой шлифовальным порошком без накатки глянца на плитах, изготовленных из плотных горных пород, исключая гипсовый камень; шлифовальную -- шлифованием абразивными инструментами лицевой поверхности плит, изготовленных из гранита, сиенита, лабрадорита, известняка, вулканического туфа и других горных пород; пиленую -- распиливанием на канатных пилах или распиловочных станках с прямолинейным движением рамы; точечную -- обработкой крестовой бучардой; бороздчатую -- применением пластинчатой бучарды или катучей фрезы; рифленую -- обработкой фрезой; фактуру «скала» -- раскалыванием камня с дополнительным околом лицевой грани по периметру.

Плиты, применяемые для настилки полов и облицовки стен, имеют прямоугольную форму и размеры в зависимости от породы и фактуры поверхности камня. Для фактуры «скала» изделия должны иметь толщину не менее 150 мм; для точечной, бороздчатой и рифленой фактуры -- не менее 60 мм, а зеркальной поверхности -- не менее 12 мм. Плиты изготовляют шириной 200...400 мм и длиной 300... 1000 мм. Из более прочных пород плиты изготовляют больших, а из менее прочных -- меньших размеров.

К профильным элементам облицовки стен относятся цокольные плиты и камни для обрамления порталов, пояски карнизов, угловые и подоконные плиты. Их изготовляют из тех же материалов, что и облицовочные плиты, и придают самую разнообразную фактуру лицевой поверхности.

Элементы лестниц и площадок, парапеты и ограждения делают из мрамора, известняка, туфа, гранита, сиенита и других горных пород. Так же как и облицовочным плитам, лицевой поверхности элементов лестниц и площадок, парапетов и ограждений придают самую разнообразную фактуру в зависимости от вида горной породы.

При изготовлении различных художественных предметов народного потребления, выполнении мозаичных работ и высокодекоративных отделок монументальных зданий широко применяют поделочный камень: яшму, родонит (орлец), лазурит, нефрит, малахит, янтарь и др. Необыкновенно обширная палитра красок, включающая практически все цвета спектра и бесконечно разнообразное количество оттенков, позволяет создавать из поделочного камня высокохудожественные произведения искусства. Многие его разновидности обладают выявляемым в разрезе после полировки природным рисунком и узором, чарующим своей фантастичностью, неповторимостью сюжета и необычностью сочетания красок.

Яшмы цветные и пестроцветные, зеленого и красного цветов, обладающие высокой твердостью и прочностью, представляют большой интерес. Встречается яшма на Урале, в Караганде, Крыму, Закарпатье и других местах.

Родонит (орлец) представляет собой мелкозернистую породу, обладающую широким диапазоном красных расцветок древовидного рисунка от бледно-розового до интенсивно красного. Орлец является полупрозрачным материалом. Благодаря значительным запасам этого камня в нашей стране его широко использовали при отделке станции «Маяковская» Московского метрополитена и других зданий.

Нефрит -- природный камень зеленого цвета. Обладая высокой твердостью и вязкостью, он трудно поддается обработке, однако это же его свойство обеспечивает возможность добиться исключительных эффектов в результате получения тончайших узоров.

Лазурит от бледно-голубого до ярко-синего цвета с вкраплениями золотистого обладает сравнительно небольшой твердостью.

Янтарь желтый прозрачный имеет большую твердость. Известны случаи применения янтаря для отделки внутренних помещений дворцов.

Природный гипс от белого до голубого цвета является широко распространенным поделочным камнем. Низкая твердость гипсового камня позволяет легко изготовлять из него сложные скульптурные изделия для интерьеров зданий, а также применять его в качестве облицовочного материала, более экономичного, чем мрамор.

Поделочные камни применяют не только для отделки интерьеров общественных зданий, но и в различных областях техники. Материалы и изделия для дорожного строительства -- бортовые камни, брусчатку, колотый или булыжный камень, щебень, песок и минеральный порошок -- получают из изверженных и осадочных горных пород. Изверженные горные породы должны обладать следующими свойствами: предел прочности при сжатии глубинных горных пород -- не менее 100, излившихся -- не менее 60 МПа, коэффициент размягчения -- не менее 0,9, водопоглощение -- не более 1,0%, морозостойкость -- не менее F25, сопротивление удару -- не менее 150 Н- см/см3, плотность -- 2300 кг/м3 и более. Осадочные горные породы должны иметь плотность 2100 кг/м3, коэффициент размягчения не менее 0,75, водопоглощение не более 4%, морозостойкость не менее F25 и сопротивление удару 150 Н-см/см3. Горные породы не должны быть затронуты выветриванием.

Бортовые камни применяют для отделения проезжей части улиц от тротуаров, а также автомобильных дорог от тротуаров на уникальных мостах и в туннелях. По форме бортовой камень представляет собой брус длиной 70...200 см с наклонной или вертикальной лицевой гранью в поперечном сечении. Верхняя часть выступающая над дорожным покрытием, обтесана чисто, а нижняя часть -- грубо. По размерам бортовой камень бывает низкий -- 30 см и высокий -- 40 см с шириной по верху 10, 15 и 20 см.

Брусчатка -- колотые или тесаные бруски высотой 10...16 см, шириной 12...15 см и длиной 15...25 см, по форме близки к параллелепипеду, а лицевая поверхность имеет форму прямоугольника. Предел прочности при сжатии исходной породы не ниже 100 МПа, водопоглощение не более 0,6%. Применяют при устройстве мостовых (особенно часто при крутых подъемах и спусках), трамвайного полотна, посадочных площадок трамвая и пр.

Колотый булыжный камень используют для укрепления откосов земляных покрытий и оснований. Колотый камень по форме близок к многогранной призме или усеченной пирамиде с площадью лицевой поверхности 100, 200 и 400 см2 при соответствующей высоте 16, 20 и 30 см. Лицевая поверхность и постель должны быть параллельны, на боковых гранях не должно быть выступов, препятствующих плотному примыканию к другому камню. Булыжный камень имеет овальную форму, его лицевая сторона должна быть больше поверхности постели. Размеры булыжного камня такие же, как и колотого камня. Для подземных сооружений и мостов применяют плиты и камни из изверженных и осадочных горных пород. Для облицовки туннелей и надводных частей мостов используют гранит, диорит, габбро, диабаз, базальт с пределом прочности при сжатии не ниже 100 МПа. Морозостойкость указанных горных пород для этих целей F150...500. При изготовлении облицовочных плит из плотного известняка или песчаника их прочность должна быть не ниже 60, а морозостойкость не менее F100. Для облицовки подводных частей мостов применяют изделия из гранита, диорита, базальта и диабаза с пределом прочности при сжатии не менее 100 МПа и морозостойкостью не менее F150. Лицевые камни и облицовочные плиты для туннелей и мостов обрабатывают под фактуры «скала», бороздчатую или рифленую. Размеры и формы плит и камней устанавливают проектом.

Для гидротехнических сооружений применяют природные камни правильной или неправильной формы (рваные, обкатанные, колотые и пиленые, а также щебень), получаемые из изверженных, метаморфических или осадочных пород. Камни не должны иметь признаков выветривания, прослоек мягких пород -- глины, гипса и других размокаемых и растворимых включений, а также рыхлых включений ракушек и видимых расслоений и трещин.

Камни для гидротехнического строительства, используемые для внутренней части набросанных плотин, могут быть из осадочных пород прочностью 60...80 МПа с коэффициентом размягчения не менее 0,7...0,8.

Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной). Жаростойкие и химически стойкие материалы и изделия изготовляют из горных пород, не затронутых выветриванием. Для материалов и изделий, работающих в условиях высоких температур, используют хромит, базальт, диабаз, андезит, туф. Для защиты конструкций зданий от кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) применяют облицовочные плиты из гранита, сиенита, диорита, кварцита, андезита, трахита, базальта, диабаза и кремнистого песчаника. Защита от щелочей достигается применением изделий из плотных известняков, доломитов, мрамора, магнезита и известкового песчаника. Для защиты от действия высокой температуры и агрессивных сред используют камни правильной формы и фасонные, плиты облицовочные и плиты для полов (гладкие и рифленые), камень, щебень и песок для бетонов и растворов, а также тонкомолотые порошки в качестве наполнителя для бетонов, растворов, мастик, замазок, шпаклевок и грунтовок.

Щебень получают дроблением различных горных пород до размера 5(3)...70 мм. Прочность щебня характеризуют маркой, соответствующей пределу прочности исходной горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии и определяемой по дробимости щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре. По этому показателю щебень подразделяется на марки: из изверженных пород -- 1400, 1200, 1000, 800 и 600; из осадочных и метаморфических пород -- 1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200.

Щебень высшей категории качества должен иметь марку по прочности не ниже 600 для щебня из осадочных пород и не ниже 800 для щебня из изверженных и метаморфических пород.

Кроме того, щебень, предназначенный для строительства автомобильных дорог, характеризуется износом в полочном барабане. По этому показателю установлено четыре марки щебня: И-I, И-II, И-III и И-IV.

В зависимости от назначения качество щебня определяют по следующим показателям: гранулометрическому составу, форме зерен, содержанию зерен слабых пород, наличию пылевидных и глинистых частиц, прочности и морозостойкости; кроме того, по петрографической характеристике плотности: истинной (без пор), средней (включая поры), насыпной (включая поры и межзерновые пустоты); пористости, пустотности и водопоглощению.

Гравий -- это рыхлое скопление обломков горных пород размером 5(3)...70 мм, обкатанных в различной степени.

Песок -- рыхлая масса, состоящая из зерен минералов и пород размером 0,16...5 мм. В зависимости от минералогического состава различают кварцевые, полевошпатовые, карбонатные пески. Применяют их для приготовления растворов и бетонов, для устройства оснований дорожных покрытий, дренажных сооружений.

Перевозка и хранение материалов и изделий из природного камня. Облицовочные плиты, камни и другие изделия после их изготовления маркируют. Для этого на тыльной стороне облицовочной плиты или на торцовой части камней несмываемой краской указывают тип камня, плиты или блока, основные размеры (длину, ширину). На блоке, предназначенном для распиловки, также указывают объем его и наименование (шифр) карьера-изготовителя.

Изделия при перевозке следует предохранять от загрязнения и повреждений. Бутовый и валунный камень, щебень, брусчатку и колотый камень необходимо перевозить навалом или в контейнерах. Бутовый камень хранят в штабелях навалом по маркам и породам, а брусчатку -- в штабелях по сортам и классам.

Блоки для распиливания, крупные стеновые блоки, бортовые камни разрешается перевозить на открытых платформах без тары с укладкой правильными рядами на подкладках и прокладках с учетом обеспечения предохранения от повреждений. Хранение их разрешается на открытых спланированных площадках, обеспечивающих отвод ливневых вод. Облицовочные плиты перевозят в прочной таре в вертикальном положении попарно, лицевыми поверхностями друг к другу, с прокладкой бумаги между ними и закрепленными клиньями. Плиты изверженных пород разрешается перевозить без тары, установленными на ребро и разделенными деревянными прокладками; хранить их можно на открытых складах. Плиты из мрамора, известняков и туфа хранят в закрытых складах.

5. Методы защиты природных каменных материалов от разрушения

Разрушение каменных материалов может происходить под действием воды как растворителя. Особенно активно действует на карбонатные породы вода, содержащая углекислоту, сернистые и другие кислотные соединения. Каменные материалы разрушаются также при переменном действии воды и мороза. Если горная порода состоит из нескольких минералов, то разрушение ее может происходить от изменения температуры вследствие того, что коэффициент линейного расширения разных минералов не одинаков.

Горные породы разрушаются также от воздействия органических кислот. Частицы пыли неорганического и органического происхождения, являющиеся бытовыми или промышленными отходами города, оседают на поверхности и в порах камня; при смачивании их водой возникают бактериологические процессы с зарождением микроорганизмов, которые разрушают камень за счет образования органических кислот. Скорость разрушения горной породы зависит также от качества и структуры ее, выражающихся в наличии микротрещин, микрослоистости и размокающих и растворимых веществ.

Для защиты каменных материалов от разрушения необходимо прежде всего предотвратить проникновение воды и ее растворов в глубину материала, для этого применяют так называемое флюатирование. При обработке известняка флюатами (например, кремнефтористым магнием) образуются нерастворимые в воде соли, которые закрывают поры в камне и тем самым повышают его водонепроницаемость и атмосферостойкость.