Тема 2.2. Природные каменные материалы

Общие сведения

Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород. Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью.

Огромное количество природных каменных материалов используется в качестве сырья для получения большинства строительных материалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ.

Сырьевой базой для промышленности строительных материалов являются горные породы. Их применяют для изготовления неорганических вяжущих веществ, керамических материалов, строительного стекла, щебня, гравия, песка в дорожном строительстве и для приготовления бетонов и растворов, облицовки зданий, сооружений и многих других целей.

Горными породами называют скопления минеральных масс, образующие геологические тела, характеризующиеся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов в горной породе определяет её минеральный состав. Форма, размер, взаимное расположение минералов, наличие пор и т. д. определяют свойства горной породы.

Минералом называют природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве - твёрдые тела: кристаллические и аморфные.

Если горная порода состоит из одного минерала, она называется мономинеральной, если из двух и более — полиминеральной.

В зависимости от условий образования горные породы подразделяют на три вида: первичные — изверженные, вторичные — осадочные, видоизменённые — метаморфические.

Изверженные породы весьма разнообразны по физико – механическим показателям. Если магма застывала на глубине, а ее составные части успевали закристаллизоваться, то при этом образовывались так называемые глубинные (интрузивные) породы, для которых характерна полнокристаллическая структура. Если в результате вулканической деятельности магма вырывалась на поверхность, в зону значительно более низких температур, её компоненты не имели времени для кристаллизации и, застывая, образовывали породы со скрыто - и мелкокристаллическими структурами (эффузивные).

Многие природные камни рассматриваемой группы отличаются высокими: плотностью, теплопроводностью, прочностью и используются исключительно в качестве конструкционно–отделочных и отделочных материалов.

Вместе с тем достаточно широко распространены и обломочные (рыхлые и цементированные) изверженные породы, отличающиеся сравнительно высокой пористостью – пемза, вулканический туф.

Осадочные породы сформировались в результате преобразования продуктов разрушения изверженных пород, морских и континентальных осадков в виде отдельных пластов и слоев на земной поверхности и вблизи нее при относительно низких температурах и давлении. Механические отложения образовались в результате отложения или накопления рыхлых продуктов распада ранее существовавших пород, часть которых в дальнейшем подверглась цементированию, образую конгломераты, брекчии и песчаники. Химические осадки образовались в результате осаждения из водных растворов минеральных веществ с последующим их уплотнением и цементацией. Органогенные образования – результат непосредственного осаждения, уплотнения и цементации остатков водорослей, организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Видоизменённые (метаморфические) породы образуются в толще земной коры в результате более или менее глубокого преобразования изверженных или осадочных горных пород при действии высоких температур и давления, а также возможном химическом воздействии. Метаморфические породы отличаются от исходных структурой и свойствами. По структуре их разделяют на массивные, или зернистые (мрамор, кварцит), и сланцеватые (гнейсы, сланцы).

Основы технологии

Блоки камня, полученные в карьере, поступают на камнеобрабатывающие предприятия для переработки. Процесс, в результате которого камню придают требуемые форму, размер и фактуру лицевой поверхности, включает ряд операций, выполняемых в строгой последовательности с помощью разнообразных камнеобрабатывающих станков. На современных предприятиях камень обрабатывают механизированным способом. В зависимости от характера используемого инструмента различают три основных вида обработки: резание, шлифование и скалывание. Каждый из этих видов, в свою очередь, делится на две стадии: придание формы и размеров выпускаемого изделия и его фактурную обработку. Для этого лицевой поверхности изделия придают заданную степень рельефа.

Обработка резанием – наиболее современный процесс обработки камня: этот способ высокопроизводителен, даёт меньше отходов и в наибольшей степени допускает автоматизацию производства. В зависимости от твёрдости камня используют стальные и твёрдосплавные резцы (для камня мягкой и средней твёрдости) или алмазный и карборундовый инструменты (для пород средней твёрдости и твёрдых) специальной конструкции.

Обработка скалыванием – также широко используемый способ, однако в большинстве случаев он сопряжён с постоянным участием оператора, и поэтому более трудоёмок. Ударная обработка камня механизирована и автоматизирована не полностью.

Придание камню требуемой формы независимо от принятого способа обработки выполняют в две стадии: сначала изделию придают форму, грубо приближающуюся к заданной, и лишь затем изделие получает окончательную форму в соответствии с проектом.

Шлифование поверхности камня позволяет достичь высокой степени её гладкости, вплоть до зеркального блеска (для этого используют войлочный круг, под который падают полированный порошок).

Номенклатура

Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, камни, плиты, архитектурно-строительные изделия (плоскостные и профильные).

Блоки объёмом не менее 0,1 м³ для кладки фундаментов и стен, в зависимости от технологии их обработки, выпускают колотые, тёсаные, пиленые.

Камни размером 390*190*188; 490*240*188; 390*190*288 мм и др. аналогичны по назначению блокам.

Плиты шириной до 2000 мм длиной, как правило, не менее ширины и толщиной от 3 до 40 мм используют для наружной и внутренней облицовки. Размеры плит для покрытий полов, как правило, 300*300; 305*305; 400*400; 600*300 мм. Для интерьеров с интенсивным движением их толщина не менее 20мм.

Архитектурно-строительные изделия служат для наружной и внутренней облицовок, устройства лестниц, парапетов площадок, ограждений. К этой группе изделий относятся плиты цокольные, пиленые и колотые, накрывочные пиленые и колотые, проступи пиленые, ступени цельные пиленые и колотые, парапеты прямоугольные и криволинейные, колонны, балясины, порталы, детали карниза, пояса, камень кордонный, шары декоративные.

Балясина – сравнительно невысокий фигурный столбик в форме тела вращения. Это элемент ограждения лестниц, террас, балконов, верхняя часть которого покрыта перилами. Изготавливают балясины, в основном, из мрамора.

Порталы – профильные изделия для обрамления дверных проёмов, выполняемые, как правило, из гранита, габбро, лабрадорита и других изверженных пород.

Деталь карниза – профильное изделие в виде декоративного выступа на верхней части наружной облицовки поля стены, защищающего её от стекающей с кровли воды. Получают при соответствующей обработке изверженных горных пород.

Деталь пояса – горизонтальный выступающий элемент наружной облицовки, отделяющий цокольную часть от вышележащей стены. Для изготовления используют достаточно плотные и прочные горные породы.

Камень кордонный – профильное изделие верхней части массивного цоколя из плотных и прочных пород.

Декоративный шар – профильное изделие сферической формы. Шары (цельные, но чаще составные), в основном, из гранита используют при оформлении фасадов зданий, фонтанов, набережных, в ландшафтной архитектуре.

К материалом специального назначения относят бутовый камень (куски неправильной формы не более 500 мм по наибольшему измерению), щебень (куски до 150 мм из дробленого бута), плиты для гидротехнических сооружений, изготовляемые из изверженных и осадочных горных пород; брусчатку в форме бруска, слегка суживающегося книзу, из однородных мелко- и среднезернистых изверженных пород для мощения дорог; бортовые камни высотой до 400 мм из плотных изверженных пород для отделения дороги от тротуара; плиты для тротуаров (часто из гнейса) толщиной не менее 40 мм.

Свойства

Учитывая характеристики минералов, их количество и характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяют кристаллические, стекловидные, порфировые и другие структуры горных пород.

При определении характера кристаллической структуры горной породы устанавливают, в частности, крупность зерен. В зависимости от их размеров у твёрдых горных пород (гранит и др.) выделяют крупнозернистые структуры – более 40 мм; среднезернистые от 2 до 10 мм; мелкозернистые – до 2 мм. У природных камней средней твёрдости (мрамор и др.) структура с размером зерен более 1 мм считается крупнозернистой; до 1 мм – среднезернистой; до 0,25 мм - мелкозернистой.

Способы добычи и обработки природного камня, его рациональное применение в строительстве связывают, прежде всего, с твёрдостью материала.

При определении твёрдости природных камней пользуются шкалой Мооса, сравнивая их твёрдость с твёрдостью определённых минералов, расположенных в характерном порядке по мере нарастания твёрдости: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.

Твёрдые природные камни обладают более высокой монолитностью структуры по сравнению с материалами средней твёрдости и мягкими. В архитектурно – строительной практике используют, как правило, горные породы твёрдые или средней твёрдости.

Средняя плотность природных каменных материалов, в зависимости от их вида, обычно находятся в пределах 800… 3100 кг\м³.

Водопоглощение твёрдых природных камней, как правило, находится в пределах 0,01 … 5 %; у гранита и сиенита – 0,1 … 1%; габбро – 0,1…0,2%; лабрадорита и тешенита – 0,2 … 1%; диабаза – 0,01 … 0,2 %; кварцевого порфира – 0,1…5%; базальта – 1…5%. Водопоглощение природных камней средней твёрдости 0,1…40%, в том числе мрамора – 0,1…0,7%; известняка – 0,5… 40%; песчаника – 0,2…2,5%; туфов – 4…40%.

Коэффициент размягчения указанных природных каменных материалов средней твёрдости, как правило, не менее 0,6.

Морозостойкость каменных материалов сравнительно высока. Твердые природные камни (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт – 50 и более. Природные камни средней твёрдости – более 25 циклов, мягкие – 15 циклов и более.

Предел прочности при сжатии природных каменных материалов в зависимости от твёрдости приведён в табл. 9.

Для определения предела прочности при сжатии обычно испытывают образцы в виде куба или цилиндра, выпиленные или высверленные из целого изделия. Для испытания сравнительно крупных блоков, высота которых более чем в 1,5 раза превышает толщину, приготавливают (выпиливают, высверливают) два образца: со стороны верхней и со стороны нижней граней.

Истираемость имеет большое значение, прежде всего, для природных каменных материалов, которые используют для покрытий полов в различных общественных сооружениях. Весьма мала истираемость у твёрдых материалов – не более 0,5г/см².

Долговечность природных камней, как правило, связана с их твёрдостью.