ГЛАВА 4. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Общие сведения о горных породах и минералах, их классификация
Природные каменные материалы являются основным сырьевым источником абсолютного большинства строительных материалов. Из горных пород сегодня производят отделочные и конструкционные изделия, вяжущие вещества (цемент, гипс, известь, жидкое стекло), бетоны, растворы, керамические и теплоизоляционные материалы, асбестоцементные изделия, мелкий и крупный заполнители (песок, гравий, щебень) для бетонов и растворов и другие материалы [3].
Сырьевой базой для промышленности строительных материалов являются горные породы. К горным породам относят скопление минеральных масс, состоящих из одного или нескольких минералов.
Минералы – составные части горных пород, однородные по химическому составу и физическим свойствам. Например, гранит состоит из трех минералов – полевых шпатов, кварца и слюды, а известняк – из одного кальцита. Породообразующими называют горные породы, в которых содержание минералов превышает 5%. К ним относятся: кварц, полевые шпаты, слюды.
Породообразующие материалы делятся на: твердые (гранит, диорит, сиенит, базальт, кварцит, андезит, диабаз); средней твердости (известняк, песчаник, мрамор, гипсовый камень, доломит); мягкие (шуфты, пемза).
Интересно знать: Структура и текстура горных пород
Для изготовления строительных каменных материалов и изделий, а также в качестве сырья для производства минеральных вяжущих материалов используются важнейшие виды горных пород: магматические (изверженные), осадочные (вторичные) и метаморфические (видоизмененные) (Рис. 4.1).
Магматические (изверженные) горные породы образовались в результате застывания и кристаллизации магмы – расплавленной массы преимущественно силикатного состава, образующейся в глубинах земной коры. Магма зарождается на глубине от 100 до 200км, температура расплава достигает 1300 ℃.
Если магма застывала в глубине земной коры и охлаждение шло медленно и под большими давлением, то образовались крупнокристаллические плотные горные породы, называемые глубинными. К таким породам относятся гранит, сиенит, диорит, габбро. Они отличаются высокой прочностью (не менее 100МПа), плотностью (более 2500 кг/м3), износостойкостью, хорошо полируются и в полированном виде высоко декоративны. Эти породы применяют для облицовки зданий и сооружений, устройства полов в общественных зданиях. В дробленом виде их используют в качестве щебня для высокопрочного бетона.
Если магма выливалась на поверхность земли, образовывались так называемые излившиеся породы: магматические базальты, порфиры диабазы. Из-за быстрого остывания магмы такие породы закристаллизовывались лишь частично или застывали в стеклообразном состоянии. Эти породы применяют там же, где глубинные, но их реже используют.
При вулканических извержениях, когда магма насыщена газами, образуются излившиеся высокопористые легкие породы (обломочные) – пемза и вулканический туф, плотность которых составляет 800...1600 кг/м3 . Их широко используют в строительстве как местный стеновой материал и заполнитель для легких бетонов, в тонкоразмолотом виде – в качестве активных добавок к цементу и извести.
Интересно знать: Магматические горные породы
Рис.4.1. Генетическая классификация горных пород
Осадочные (вторичные) горные породы образовались в результате разрушения горных пород (механические отложения) и биологической (органогенные породы) или химической (химические осадки) переработки природного минерального сырья.
Интересно знать: Осадочные горные породы
Обломочные породы (механические отложения) образовались в результате физического выветривания, т.е. воздействия ветра, воды, знакопеременных температур. Они подразделяются на рыхлые и цементированные. К рыхлым относятся песок, гравий, глина. К цементированным - песчаник, конгломерат и брекчия.
Химические осадки образовались в результате выпадения солей при испарении воды в водоемах. К ним относятся гипс, ангидрит, магнезит, доломит и известковые туфы.
Органогенные породы образовались в результате жизнедеятельности и отмирания организмов в водах. К ним относятся известняки, мел, трепел, диатомит.
Метаморфические (видоизменённые) горные породы образовались в результате видоизменения магматических или осадочных пород под действием давления, высокой температуры и водных минеральных растворов. К ним относятся глинистые сланцы, кварцит, мрамор.
Интересно знать: Метаморфические горные породы
4.2. Строительные материалы из природного камня и их характеристика
Природные каменные материалы – это строительные материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, пилением, шлифованием) горных пород. Из физико-механических свойств природных каменных материалов обычно выделяют среднюю плотность, предел прочности при сжатии, морозостойкость, по величине которых оценивают их качество и разделяют на марки.
В зависимости от средней плотности природные каменные материалы делятся на легкие (пористые) (менее 1800 кг/м3) и тяжелые (более 1800 кг/м3).По пределу прочности при сжатии (МПа) установлены следующие марки каменных материалов: для тяжелых - 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100. Для легких - 3,5; 5; 7,5; 10; 15.
По морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания для каменных материалов установлены марки: F10, F15, F25, F35, F50, F 100, F200, F300.
По степени водостойкости (коэффициенту размягчения) материалы делятся на группы с величиной данного показателя 0,6; 0,75; 0,9 и 1.
Каменные материалы и изделия, используемые в естественном виде, делятся на группы:
- материалы, применяемые без обработки, в исходном виде – песок, гравий, щебень, бутовый, валунный и булыжный камни;
- изделия правильной геометрической формы, полученные из горного массива – стеновые камни и блоки, облицовочные плиты;
- облицовочные (декоративные) изделия – плиты, ступени, парапеты и др.
Песок – рыхлая горная порода, состоящая из зерен минералов и пород размером 0,16-5мм. Применяется в качестве мелкого заполнителя в бетонах и растворах (Рис.3.2).
Рис.4.2. Песок
Гравий – рыхлое скопление окатанных обломков горных пород. В зависимости от линейного размера зерен гравий делят на фракции: 5-10; 10-20; 20-40; 40-70. Гравий чаще всего добывают вместе с песком при разработке песчано-гравийных месторождений и реже со дна рек, озер и морей. Используется в качестве крупного заполнителя в цементных и асфальтовых бетонах для дорожного покрытия (Рис. 3.3).
Рис. 4.3. Гравий
Щебень – смесь угловатых обломков камня различной конфигурации размером 5-150мм. Получают щебень дроблением камня в дробилках разных конструкций (щековых, конусных), а мелкий (с размером кусков менее 25мм) – на молотковых или валковых дробилках. Применятся в строительстве для приготовления цементобетонных и асфальтобетонных смесей, оснований для дорожных покрытий (Рис. 3.4).
Рис. 4.4. Щебень
Бутовый камень Бутовый камень – крупные куски неправильной формы, получаемые взрывным методом из осадочных (известняков и доломитов) или изверженных пород. Размер бутовых камней для укладки вручную - 150...500мм, масса 10-30кг. Применяется для укладки фундаментов, стен вспомогательных помещений, массивных частей гидротехнических сооружений. Однако из-за трудоемкости кладки большую часть добываемого камня перерабатывают на щебень для бетона (Рис.4.5).
Рис. 4.5. Бутовый камень
Валунный камень – крупные обломки (более 300мм) горных пород ледникового происхождения, характеризующиеся окатанной, часто сильно выветрившейся поверхностью. Используют для получения булыжного камня и щебня (Рис. 4.6).
Рис. 4.6. Валунный камень
Булыжный камень – куски горной породы размером до 300мм. Применяют для покрытия мостовых, дворов и откосов (Рис.4.7).
Рис. 3.7. Булыжный камень
Стеновые камни и блоки получают из пористых известняков, вулканических туфов и других горных пород плотностью 900 - 2200 кг/м3 . Марки камней и блоков в зависимости от пористости горной породы могут быть от 4 до 50. Для лицевой кладки без штукатурки марка камня должна быть не ниже 25. Водопоглощение камней допускается не более 30%, коэффициент размягчения 0,6 – 0,7; марка по морозостойкости не менее F 15. Основные размеры стеновых камней для кладки стен: 390 х 190 х 188 и 390 х 190 х 288мм. Каждый стеновой камень заменят 8-12 кирпичей (Рис. 4.8).
Рис. 4.8. Стеновые камни и блоки
Плиты облицовочные получают путем распиливания глыб горных осадочных пород с последующей шлифовкой и полированием. Применяются для облицовки наружных и внутренних стен зданий и сооружений, для покрытия поло и лестничных ступеней. Толщина плит 150-200мм, размеры от 400х600мм до 2500х1500мм.
К архитектурно-строительным изделиям архитектурно-строительным изделиям относятся: колонны, пояски карнизов, угловые и подоконные плиты, элементы лестниц и площадок, ступени, парапеты. Изделия получают из уже заготовленных блоков – полуфабрикатов путем распиливания или раскалывания с последующей механической обработкой для придания определенной формы, размеров и фактуры лицевой поверхности.
Глубинные горные породы
Гранит – состоит из зерен кварца, полевого шпата, слюды или железисто- магнезиальных силикатов. Имеет среднюю плотность 2,6 г/см3, предел прочности при сжатии 100-300 МПа. Цвета: серый, красный. Он обладает высокой морозостойкостью, малой истираемостью, хорошо шлифуется, стоек против выветривания. Применяют его для изготовления облицовочных плит, лестничных ступеней, щебня (Рис. 3.9).
Рис.4.9. Гранит
Сиенит – состоит из полевого шпата, слюды и роговой обманки. Средняя плотность 2,7 г/см3 , предел прочности при сжатии до 220 МПа. Цвета: светло-серый, розовый, красный. Он обрабатывается легче, чем гранит, применяется для тех же целей (Рис. 4.10).
Рис. 4.10. Сиенит
Диорит – состоит из плагиоклаза, авгита, роговой обманки, биотита. Средняя плотность 0 2,9 г/см3, предел прочности при сжатии 150-300 МПа. Цвета: от серо-зеленого до темно-зеленого. Он стоек против выветривания, имеет малую истираемость. Применяется для изготовления облицовочных материалов, в дорожном строительстве (Рис. 4.11).
Рис. 4.11. Диорит
Габбро – кристаллическая порода, состоящая из плагиоклаза, авгита, оливина. В составе может быть биотит и роговая обманка. Средняя плотность – 2,8 - 3,1 г/см3, предел прочности при сжатии до 350 МПа. Цвета: от серого или зеленого до черного. Применяется для облицовки цоколей, устройства полов (Рис. 4.12).
Рис. 3.12. Габбро
Излившиеся горные породы
Базальт – аналог габбро. Имеет стекловатую или кристаллическую структуру. Средняя плотность 2,7-3,3 г/см3, предел прочности при сжатии 50-300 МПа. Цвета: темно-серый или почти черный. Применяется для изготовления бортовых камней, облицовочных плит, щебня для бетона. Является сырьем для изготовления каменных литых материалов (Рис. 3.13).
Рис. 4.13. Базальт
Порфиры – аналоги гранита, сиенита. Средняя плотность 2,4-2,5 г/см3, предел прочности при сжатии 120-340 МПа. Цвета: от красно-бурого до серого. Структура – порфировидная, т.е. с крупными вкраплениями в мелкозернистую структуру, чаще всего ортоклаза или кварца. Их применяют для изготовления щебня, декоративно-поделочных целей (Рис. 4.14).
Рис. 4.14. Порфиры
Диабаз – аналог габбро, имеет кристаллическую структуру. Средняя плотность 2,9-3,1 г/см3, предел прочности при сжатии 200-300 МПа. Цвета: от темно-серого до черного. Применяют для наружной облицовки зданий, изготовления щебня (Рис.4.15).
Рис. 4.15. Диабаз
Обломочные горные породы
Вулканические пеплы – порошкообразные частицы вулканической лавы размером до 1мм. Более крупные частицы размером от 1 до 5мм называют песком. Пеплы применяются как активная добавка в вяжущие, пески в качестве мелкого заполнителя для легких бетонов (Рис. 4.16).
Рис. 4.16. Вулканические пеплы
Пемза – пористая порода ячеистого строения, состоящая из вулканического стекла. Пористая структура образовалась в результате воздействия газов и паров воды на остывшую лаву, средняя плотность 0,15-0,5 г/см3, предел прочности при сжатии 2-3 МПа. В результате высокой пористости (до 80%) имеет низкий коэффициент теплопроводности. Применяют ее в виде заполнителей для легких бетонов, теплоизоляционных материалов, в качестве активной минеральной добавки для извести и цементов (Рис. 4.17).
Рис. 4.17. Пемза
Вулканический туф – пористые стекловидные породы, образовавшиеся в результате уплотнения вулканический пеплов и песков. Средняя плотность туфов 1,25 - 1,35 г/см3, пористость 40-70%, предел прочности при сжатии 8-20 МПа, коэффициент теплопроводности 0,21 - 0,33 Вт/(м К). Цвета: розовый, желтый, оранжевый, голубовато-зеленый. Применяют в качестве стенового материала, облицовочных плит для внутренней и наружной облицовки зданий (Рис. 3.18).
Рис. 4.18. Вулканический туф
Осадочные обломочные породы
Гравий – горная порода, состоящая из округлых зерен от 5 до 150 мм различного минералогического состава. Применяют для бетонов и растворов, в дорожном строительстве (Рис.3.19).
Рис. 4.19. Гравий
Глины – тонкообломочные породы, состоящие из частиц мельче 0,01мм. Цвета: от белого до черного. Являются сырьем для керамической и цементной промышленности (Рис. 4.20).
Рис. 4.20. Глины
Органогенные породы
Известняки – горные породы, состоящие в основном из кальцита. Могут содержать примеси глины, кварцит и другие соединения. Образовались в водных бассейнах из остатков животных организмов и растений. Цвет: белый, светло-серый, желтоватый. Применяют для изготовления облицовочных плит, архитектурных деталей, щебня, в качестве сырья для получения цемента, извести (Рис.4.21).
Рис. 4.21. Известняки
Мел – горная порода, состоящая из кальцита, образована раковинами простейших животных организмов. Цвет – белый. Применяется для приготовления красочных составов, изготовления извести, цемента (Рис. 4.22).
Рис. 4.22. Мел
Диатомит Диатомит – горная порода, состоящая из аморфного кремнезема, образована мельчайшими панцирями диатомовых водорослей и скелетами животных организмов. Цвет белый с желтоватым или серым оттенком (Рис. 4.23).
Рис. 4.23. Диатомит
Трепел – сходная с диатомитом порода, но более раннего образования. Сложена в основном сферическими тельцами опала и халцедона. Применяют диатомит и трепел для изготовления теплоизоляционных материалов, легкого кирпича, активных добавок в вяжущие вещества (Рис. 4.24).
Рис. 4.24. Трепел
4.3. Транспортировка и хранение природных каменных материалов и изделий
При перевозке и хранении материалы и изделия из природного камня должны быть защищены от механических повреждений и загрязнения. Изделия для облицовки необходимо перевозить в крытом транспорте и хранить в закрытых помещениях или под навесами.
Правила при перевозке и хранении:
- камни пиленые, тесаные, бортовые и облицовочные колотые укладываются правильными рядами без прокладок;
- камни облицовочные и ступени – правильными рядами с прокладками;
- плиты облицовочные, пиленые и тесаные, а также плиты для полов устанавливаются на длинное ребро в один ряд и прокладываются деревянными брусками;
- плитки кровельные укладываются на длинное ребро в ящики;
- плиты полированные перевозят в ящиках или в контейнерах, прокладывая две гладкие поверхности бумагой;
- архитектурные детали и подоконники – в решетчатой таре;
- бутовый и валунный камень, щебень, колотый камень необходимо перевозить навалом или в контейнерах. Бутовый камень хранят в штабелях навалом по маркам и породам.
4.4. Способы повышения долговечности каменных материалов
Природные каменные материалы и изделия подвергаются коррозии, основной причиной которой является физико-химическое воздействие среды. А также степень и скорость разрушения природного камня в сооружения зависят от его химико-минералогического состава и структуры, которые выражаются в наличии размокающих и растворяющихся составляющих, наличии пор, микротрещин.
Все мероприятия по защите каменных материалов в зависимости от механизма их воздействия на материал делятся:
- конструктивные – герметизация швов между изделиями, отсутствие стоков и карнизов, на которых могла бы задерживаться влага и др.;
- механические – устройство гладких или полированных поверхностей каменных материалов (шлифовка, полировка), не способных задерживать дождевые воды и пропускать агрессивные среды внутрь каменного материала;
- химические – обработка лицевой поверхности камня различными составами и создание плотного водонепроницаемого слоя (пропитка, гидрофобизация).
Блок самоконтроля
Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь:
Видеолекция «Горные породы»
Дайте ответы на следующие вопросы:
- Что является сырьевой базой для промышленности строительных материалов?
- Какие горные породы называют породообразующими?
- Какие виды горных пород используют для изготовления строительных каменных материалов и изделий?
- Перечислите горные породы, которые относятся к магматическим.
- Какие горные породы относятся к глубинным?
- Какие горные породы относятся к осадочным?
- Под воздействием чего образовались метаморфические горные породы?
- В результате чего получают природные каменные материалы?
- Какие физико-механические свойства природных каменных материалов определяют их качество и маркировку?
- Какие каменные материалы и изделия применяются в строительстве без обработки в естественном виде?
- Назовите правила транспортировки и хранения природных каменных материалов и изделий.
- Какие существуют способы повышения долговечности каменных материалов?