Природные каменные строительные материалы

Введение.

   Горные  породы являются главным источником для получения строительных материалов, их используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и строительного гипса. Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.

   Широко  используют природные каменные материалы  и изделия, получаемые механической обработкой горных пород (раскалыванием, распиливанием, шлифованием, полированием, дроблением и т.п.). Это плиты из гранита, мрамора, известняка и других горных пород для декоративной облицовки и защиты строительных конструкций от коррозии.

   Россия  по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья.

   При разработке горных пород важным показателем  эффективности производства являются отходы, их количество характеризует затраты на конечный продукт. 
 
 
 
 
 
 

Историческая  справка

   На  заре своей строительной деятельности человек использовал только естественные, встречающиеся в природе в готовом виде строительные материалы: камни, куски деревьев.

     Постепенно  люди научились сами валить и обтесывать деревья, добывать и обрабатывать камень в каменоломнях, применяя для этого нередко очень остроумные способы. Например, в Древнем Египте строители плотно загоняли в щели каменных глыб сухие деревянные клинья и затем поливали их водой до тех пор, пока дерево, разбухая, не раскалывало глыбы на отдельные каменные блоки нужных размеров.

     Природный камень как строительный материал был  известен в глубокой древности. Благодаря высокой механической прочности и долговечности его применяли для строительства самых разных сооружений. Благодаря красивой природной окраске и текстуре камня его применяли для архитектурного оформления уникальных зданий, сооружений храмов, дворцов, памятников и т.д. до наших дней сохранились монументальные сооружения из природного камня, египетские пирамиды (Хеопса и др.) и сфинксы, развалины Колизея в Риме и другие соборы, церкви и крепостные сооружения.

     Камень  – один из самых старых стеновых и отделочных материалов используется до сих пор. Природные каменные породы – мрамор, граниты, известняки – украшают станции метро, фасады и залы многих общественных зданий.

     В Армении из мягкого, хорошо обрабатывающегося  и легкого туфа, а на Украине  из ракушечника кладут стены домов. Неотделанный природный камень и  отходы, образующиеся при его обработке, используют при устройстве фундаментов, постройке дорог.

     В наше время каменные материалы добывают и обрабатывают, применяя взрывную технику, буровые и камнерезные машины. Крупные каменные глыбы на специальных станках распиливают на блоки и плиты, на тоненькие облицовочные пластинки, шлифуют и полируют их поверхность. В некоторых случаях толщина такой пластинки измеряется... миллиметрами, а к стене, которую надо отделать, пластинки просто приклеивают.

     Научились делать и искусственный литой  камень - подбирают из разных материалов смесь, близкую по составу к естественному камню, плавят ее и отливают в специальных формах, точно соответствующих виду и размерам нужных строителям изделий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Классификация и основные виды природных  каменных материалов.

     Природные каменные материалы и изделия  получают путём механической обработки горных пород (дробления, распиливания, раскалывания и т.п).

     По  способу получения каменные материалы  подразделяют на:

–рваный камень (бут) — добывают взрывным способом

– грубоколотый камень — получают раскалыванием без обработки

–дроблёный — получают дроблением (щебень, искусственный песок)

– сортированный камень (булыжник, гравий).

     Каменные  материалы по форме делятся на:

– камни неправильной формы (щебень, гравий)

–штучные изделия, имеющие правильную форму (плиты, блоки).

     Щебень — остроугольные куски горных пород размером от 5 до 70 мм, получаемые при механическом или природном дроблении бута (рваный камень) или естественных камней. Его используют в качестве крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей, устройства оснований.

     Гравий — окатанные куски горных пород размером от 5 до 120 мм, также используется для приготовления искусственных гравийно-щебёночных смесей.

   Песок— рыхлая смесь зёрен горных пород размером от 0,14 до 5 мм. Он образуется обычно в результате выветривания горных пород, но может быть получен и искусственным путём — дроблением гравия, щебня, и кусков горных пород.

   По  показателям плотности природные камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/см³ имеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов.

   Тяжелые камни плотностью более 1,8 г/см³ (из гранита, сиенита, диорита и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства.

   Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням различной пористости.

   Морозостойкость. По числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцами в условиях стандартного испытания, природные каменные материалы разделяют на марки по морозостойкости: 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300 и 500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно-зернистой структурой. Камни с неравномерным порфировым строением быстрее растрескиваются при резких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов температурного расширения мелкокристаллической массы и крупных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их поры заполнены "горной влагой" и коэффициент насыщения пор водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются достаточно морозостойкими и более прочными.

   Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемого для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть не менее 0,8, для наружных стен зданий - не менее 0,6.

   Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного материала имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.п. Мелкокристаллические материалы при истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц, полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины.

   Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некоторые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс при 100°С, известняк при 900°С), другие (например, гранит, порфиры) растрескиваются при пожаре вследствие различного теплового расширения составляющих их минералов.

   В зависимости от назначения и условий  применения природные каменные материалы оценивают также по твердости, стойкости химическому воздействию внешней среды и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сырьевые  материалы.

     В зависимости от условий образования  горные породы делятся на первичные (изверженные), вторичные (осадочные), видоизмененные (метаморфические).

     Первичные (изверженные) породы образовались из магмы - огненно-жидкой массы, поднявшейся  из глубин земли и затвердевшей при  остывании. Они разделяются на глубинные  породы, остывшие под землей, и излившиеся (вулканические), которые застывали  на поверхности земли.

   Изверженные глубинные породы остывали медленно под большим давлением и приобрели зернисто-кристаллическую структуру. Они обладают большой прочностью на сжатие и плотностью. К таким породам относятся гранит, сиенит, диорит и др.

   Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25-30%), натриево-калиевых шпатов (35-40%) и плагиоклаза (20-25%), обычно небольшим количеством слюды (5-10%) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии - 120-250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 1/30-1/40 от сопротивления сжатию. Одним из важнейших свойств гранитов является также малая пористость, не превышающая 1,5%, что обуславливает водопоглощение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивается при температурах выше 600°С вследствие полиморфных превращений кварца. Гранит, так же как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию. Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными.

   Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6% магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50-70%) и натриевых полевых шпатов (10-30%), цветных минералов (10-20%). Если присутствует кварц (10-15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физико-механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им в прочности из-за отсутствия кварца.

     Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; состоят они из плагиоклаза (65-70%) и роговой обманки, иногда вместе с пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25-30%. Структура породы равномерно зернистая, средне или мелкозернистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено наличием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными минералами.

   Изверженные излившиеся (вулканические) породы остывали быстро и неравномерно и в зависимости от условий образования обладают плотной или пористой структурой. К плотным вулканическим породам относятся базальт, диабаз и т. п. К рыхлым - пемза, туфы, трасс; они имеют малый объемный вес вследствие большой пористости, обладают малой теплопроводностью и являются хорошим стеновым материалом.

   Базальты  - излившиеся породы черного цвета, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые, иногда порфировые. Плотность базальтов - 2700-3300 кг/м³; предел прочности при сжатии колеблется в широких пределах — 110— 500 МПа, в среднем - 200-250 МПа. Базальты ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Базальты являются исходным материалом для литых каменных изделий.

   Диабазы - порода мелкозернистая, по составу аналогичная габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура полнокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы имеют черный цвет, выветренные - зеленовато-серый. Диабазы отличаются высокой твердостью, прочностью (300-400 МПа на сжатие) и вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе железомагнезиальных силикатов и свойственной этим породам структурой.

   Пемза представляет собой пористые вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом. Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2-2,5 г/см³, плотность 0,3-0,9 г/см³ (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы обуславливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор - достаточную морозостойкость.