 |
Основные виды и месторождения природных каменных материалов
|
|
|
|
Сырьем для получения природных каменных материалов служат горные породы.
Горные породы – это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся под влиянием одинаковых условий.
Минералы – это вещества, являющиеся продуктами физико-химических процессов, происходящих в земной коре, и обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физическими свойствами.
Природные каменные материалы и изделия получают путем механической обработки горных пород, т. е. дробления, раскалывания, распиловки, оттески, шлифовки (щебень, плиты, штучные камни, архитектурно-декоративные детали) или даже без обработки (песок, гравий). Свойства горной породы, из которой они получены, сохраняются почти полностью. Строительные свойства горных пород и каменных изделий из них в значительной степени определяются химическим составом и физическими и механическими свойствами породообразующих минералов.
Большое влияние на свойства пород оказывает и их строение (структура), предопределяемое условиями образования каждой группы пород. Поэтому для оценки свойств и определения целесообразных условий обработки и применения природных материалов в строительных конструкциях необходимо познакомиться с составом и строением горных пород, из которых они получены. Знание этих вопросов важно и потому, что горные породы широко используют также в промышленности строительных материалов в качестве сырья для изготовления вяжущих веществ (извести, гипса, цемента), искусственных каменных материалов (керамических, теплоизоляционных, бетонов и др.).
Широкий диапазон физико-механических свойств и распространенность природных каменных материалов обусловили их широкое применение в строительстве для различных целей. Их используют для возведения фундаментов и стен зданий, защитных и декоративных облицовок строительных конструкций, полов и лестниц, в качестве дорожных покрытий и т. п. Сотни миллионов кубометров каменных материалов в виде песка, гравия и щебня применяют ежегодно для изготовления бетонов, а также оснований при строительстве железных и автомобильных дорог.
|
|
|
Природные каменные материалы в строительстве используют обычно после механической обработки (расколки и обтески, распиловки, шлифовки и полировки, дробления и рассева). Все каменные материалы, используемые в строительстве, можно разделить на две основные группы - материалы, применяемые в своем первоначальном виде, и материалы, пригодные для строительных целей лишь после соответствующей обработки.
В некоторых случаях один и тот же материал может применяться в первоначальном виде или после прохождения одной или нескольких стадий обработки. Так, песок можно употреблять непосредственно из карьера или после предварительной промывки, природный гравий — или в первоначальном виде или после измельчения и сортировки для получения зерен определенных фракций.
Основные породообразующие материалы магматических пород: кварц и его разновидности; полевые шпаты; железисто-магнезиальные силикаты; слюды.
Кварц — диоксид кремния (SiO2) в кристаллической форме. Он отличается высокой плотностью — около 2650 кг/м³, твердостью — 7, прочностью при сжатии—до 2000 МПа и стойкостью. При выветривании магматических пород стойкие зерна кварца не разрушаются и образуют пески. Кварц обладает несовершенной спайностью, имеет различную окраску (бесцветную, желтую, молочную) и стеклянный блеск (рисунок 2). При обычной температуре кварц не взаимодействует с кислотами (кроме плавиковой и горячей фосфорной) и щелочами. При повышенных температурах в среде насыщенного пара кварц взаимодействует со щелочами, например с Са 
, образуя гидросиликаты. При нагревании до 575 и 870 °С он переходит в другие кристаллические формы, скачкообразно увеличиваясь в объеме. Плавится кварц при 1710 °С и при быстром охлаждении расплава дает кварцевое стекло.
|
|
|
Рисунок 2. Кристаллы кварца
Полевые шпаты (рисунок 3) — алюмосиликаты, образовавшиеся в результате взаимодействия оксидов кремния и алюминия с оксидами щелочных металлов. Характерная особенность полевых шпатов — ярко выраженная спайность по двум направлениям. Наиболее распространенными разновидностями полевых шпатов являются: ортоклаз (прямораскалывающийся) 
О· 
·6Si 
и плагиоклазы (косораскалывающиеся) в виде альбита 
O· ·6Si и анортита CaO· ·2Si и их смеси. Полевые шпаты входят в состав большинства магматических (до 2/3 их массы), многих метаморфических и некоторых осадочных горных пород. Они имеют различную окраску от белого и серого до розового и темно-красного цветов, плотность 2500...2760 кг/м³, твердость 6, предел прочности при сжатии до 170 МПа, температуру плавления 1170...1550 °С. Стойкость полевых шпатов значительно ниже, чем кварца. Под влиянием многократных резких смен температуры и воздействия воды и углекислоты полевые шпаты разрушаются (выветриваются).
Рисунок 3.Полевые шпаты
Слюды (рисунок 4) — минералы с весьма совершенной спайностью в одном направлении, которые способны расщепляться на тончайшие упругие пластинки. По химическому составу они представляют собой водные алюмосиликаты сложного состава. Наиболее часто в составе горных пород присутствуют две разновидности слюды — мусковит (светлая алюминиевая слюда) и биотит (железисто-магнезиальная слюда темного цвета). Плотность слюд 2760,..3200 кг/м³, твердость 2...3, стойкость биотита меньше, чем мусковита. При выветривании биотит переходит в гидратированную разновидность слюды — вермикулит. Присутствие слюд в горных породах понижает прочность и стойкость породы, затрудняет ее шлифовку и полировку.
Рисунок 4.Слюды
Железисто-магнезиальные минералы за их темный цвет (от темно-зеленого до черного) называют темнокрашенными минералами (рисунок 5). По химическому составу они представляют собой железисто-магнезиальные силикаты. Среди минералов этой группы наиболее распространенными породообразующими минералами являются амфиболы (чаще роговые обманки), пироксены (например, авгиты) и оливины. Минералы этой группы отличаются большой плотностью 3000...3600 кг/м³, твердостью 5,5.... 7,5, высокой ударной вязкостью, повышенной стойкостью против выветривания (кроме оливина). Эти же свойства они придают и содержащим их горным породам.
|
|
|
а)
б)
в)
Рисунок 5.Темноокрашенные минералы: а) амфиболы; б) пироксены; в) оливины
Рассмотрим основные виды каменных материалов, применяемых без обработки.
Бутовый камень (рисунок 6) — крупные куски неправильной формы, размером 150—500 мм, весом 20—40 кг, получаемые разработкой известняков, доломитов и песчаников (реже гранита и других изверженных пород). Камень, получаемый при взрывных работах, носит общее название рваного камня. Бутовый камень должен быть однородным, без следов выветривания, расслоения и трещин, не содержать рыхлых и глинистых включений. Предел прочности при сжатии камня из осадочных пород не менее 100 кг/см², коэффициент размягчения не ниже 0,75, морозостойкость не ниже. 15 циклов. Бутовый камень широко применяется для бутовой и бутобетонной кладки фундаментов, подземных стен и стен не отапливаемых зданий, подпорных стен, ледорезов, отстойников и резервуаров.
Для кладки лучшим считается бутовый камень в виде плит неправильной формы, так называемый плитняк или постелистный бут. Его получают выколкой из осадочных и метаморфических пород,- имеющих слоистое или сланцеватое строение. Кладку ведут рядами, что повышает ее прочность, уменьшает расход вяжущего материала и повышает производительность труда. Кладка из рваного бутового камня более трудоемка и на нее расходуется больше раствора для заполнения пустот между камнями неправильной формы.
а)
б)
Рисунок 6.Бутовый камень: а) в природе; б) в отделке
|
|
|
Мелкие куски бутового камня обычно перерабатывают на щебень, используемый в качестве заполнителя в бетоне, для щебеночной подготовки под бетонные фундаменты в санитарно-технических сооружениях и в качестве фильтрующего материала.
Валунный камень — крупные обломки (более 300 мм) горных пород ледникового происхождения, характеризующиеся окатанной, часто сильно выветрившейся поверхностью. Весьма разнообразен по петрографическому составу. Используется для получения булыжного камня и щебня (рисунок 7).
Булыжный камень — небольшие валуны (до 300 мм) или расколотые валуны больших размеров. Применяется для покрытия мостовых, дворов и откосов, для каменной наброски при строительстве дамб. Крупный булыжный камень можно применять как бут, мелкий камень перерабатывается на щебень. Валунный булыжный камень может быть использован для изготовления (методом околки) специальных шашек для мощения дорог и оснований под дорожные покрытия.
а)
б)
Рисунок 7.Валунный камень: а) Фрагмент валунного моста, валунный камень; б) булыжный камень, булыжная мостовая.
Гравий — рыхлое скопление обломков горных пород, различно обкатанных. Величина отдельных зерен 5—70 мм. В зависимости от линейного размера частиц гравий подразделяют на фракции 5—10, 10— 20, 20—40 и 40—70 мм. Добывают гравий открытым способом экскаваторами различных типов, при добыче со дна рек, морей и озер применяют всасывающие механизмы, которые забирают гравий вместе с водой и транспортируют по трубам к местам отвалов, где происходит его естественное обезвоживание. Гравий применяется в строительстве в качестве крупного заполнителя в цементных и асфальтовых бетонах, а также как фильтрующий материал в водопроводных сооружениях.
Песок — рыхлая горная порода, состоящая из зерен минералов и пород размером 0,14—5 мм. В зависимости от минералогического состава различают пески кварцевые, полевошпатные и карбонатные. Способы добычи песка аналогичны способам добычи гравия.
Пески как строительный материал получают обширное применение в связи с колоссальным развитием цементной промышленности: большинство цементных растворов и бетонов содержат песок, иногда в весьма большом количестве. От качества применяемых песков зависит прочность многих строительных материалов, получаемых на основе цемента и песка в качестве заполнителя. Для получения некоторых строительных изделий необходимо применение обогащенных песков, т.е. промытых и отсортированных как по величине зерен, так и по минералогическому составу, или прошедших дополнительное измельчение (тонкомолотых). Кварцевые пески являются основным сырьем для стекольной промышленности.
|
|
|
Наиболее часто в строительстве применяют каменные материалы второй группы, т. е. прошедшие специальную обработку в заводских условиях.
Плиты тесаные и пиленые изготовляют из блоков, отделенных от массива пород.
Процесс изготовления тесаных плит состоит из развалки монолитов (геологическое образование, представляющее собой цельную каменную глыбу), грубой околки и получистой и чистой тески. Монолит на болванки разделывают взрывным способом, взрывая в пробуренных шпурах небольшие заряды пороха, чтобы не появились при взрыве тонкие побочные трещины, понижающие прочность камня. Часто развалку монолита ведут клиньями. Болванки подвергают грубой оттеске долотами. Для чистой тески лицевых поверхностей применяют бучарду с мелкой насечкой. Механическая теска с применением пневматических инструментов резко повышает производительность труда.
Изготовление пиленых плит значительно проще и состоит из распиловки блоков из природного камня и обработки лицевой стороны плиты для получения определенной фактуры.
Согласно ГОСТ 9479—60 блоки из природного камня делятся на четыре группы: I — из гранитов; II—-из мраморов; III — из известняков и IV — из вулканических туфов.
Основным назначением тесаных и пиленых плит является облицовка зданий, поэтому для получения этих изделий используют однородные по строению горные породы, обладающие достаточной прочностью, устойчивостью к выветриванию и хорошей обрабатываемостью, без трещин, глинистых и других примесей. Плиты для наружной облицовки зданий и сооружений вырабатываются из породы с пределом прочности при сжатии не менее 1000 кг/с. и2 — гранита, сиенита, диорита, габбро, лабрадорита, кварцита. Для внутренней облицовки применяют мраморы, некоторые кристаллические сланцы, мягкие гипсы и ангидриты с пределом прочности не менее 200 кг/см².
Стоимость пиленых плит ниже стоимости тесаных: их можно получить меньшей толщины —25 мм для внутренней и 50 мм для внешней облицовки зданий; толщина тесаных плит соответственно 100 и 200 мм. Правильность плоскостей пиленых плит упрощает дальнейшую их обработку: плиты легче поддаются шлифовке, полировке, а также обработке для придания наружной их стороне требуемой фактуры. Наиболее эффективен способ обработки поверхности каменных плит резанием многорезцовыми фрезами, что дает возможность получать гладкие плоские поверхности и выполнять окантовку плит.
Плиты для наружной облицовки выпускают шириной 600 мм из твердых пород и 400 мм из пород средней твердости, для внутренней облицовки—300 мм. Длина плит не нормируется, что дает возможность полнее использовать природный камень. Пиленые плиты обладают большей стойкостью, чем тесаные, так как при теске ударами выкалываются и дробятся зерна минералов, в результате чего в камне появляются микротрещины.
Плиты для облицовки цоколей зданий изготовляют, из наиболее стойких и прочных пород.
При перевозке облицовочные плиты пиленые и тесаные устанавливаются на ребро с прокладками; полированные складывают лицевыми поверхностями, обязательно прокладывая между ними бумагу, в тару весом брутто не более 150 кг или перевозят в контейнерах.
Кровельные плитки, называемые природным шифером, получают раскалыванием и обрезкой глинистого (кровельного) сланца. Плитки выпускаются размером от 250X150 до 600x350 мм при толщине 4— 8 мм. Прочность их при изгибе должна быть не ниже 150 кг/см², они должны выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Природный шифер является самым долговечным кровельным материалом, срок службы которого исчисляется сотнями лет.
Бортовке камни изготовляются обколкой и обтеской каменных пород. Выпускаются камни трех основных видов: прямой, лекальный и для оформления съездов (15). Длина камней 70—200 см, по высоте они имеют два размера — низкие 30 и высокие 40 см при ширине верхней части 10, 15 и 20 см. Верхняя часть бортового камня, выступающая над дорожным покрытием, обтесывается чисто, а нижняя часть грубо. Эти бортовые камни в настоящее время применяются меньше, так как стоимость их значительно выше стоимости бетонных бортовых камней. Однако последние уступают тесаным камням как по долговечности, так и по внешнему виду.
Брусчатка — колотые и тесаные бруски камня, по форме приближающиеся к параллелепипеду, с наружной стороной в форме прямоугольника. По высоте брусчатка делится на низкую — высота 10 см, среднюю — 11—13 см и высокую — 14—16 см; ширина у всех сортов 12—15 см и длина 15—25 см. Верхняя и нижняя плоскости брусчатки, т. е. «лицо» и «постель», параллельны, а боковые грани суживаются книзу, так что длина и ширина граней постели меньше, чем грани лица, на 5 мм у низкой брусчатки и на 10 мм у средней и высокой брусчатки. Брусчатку изготовляют из однородных морозостойких каменных пород, имеющих прочность на сжатие не ниже 1000 кг/см² и обладающих хорошей обрабатываемостью.
Щебень представляет собой смесь угловатых обломков камня различной конфигурации размером от 5 до 150 мм. Изготовляется щебень из горных пород различного качества, что определяет его марку. Качество щебня устанавливается показателем предела прочности при сжатии исходной горной породы в насыщенном водой состоянии, а также показателями ее истираемости и сопротивления удару. По пределу прочности при сжатии щебень подразделяют на марки: из изверженных горных пород —1200, 1000 и 800; из метаморфических горных пород—1200, 1000, 800 и 600; из осадочных горных пород—1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200. Щебень должен состоять из однородных по качеству обломков породы, приближающихся по форме к кубу или тетраэдру, с содержанием вытянутых и плоских щебенок (лещадок) не более 25%.
Получают щебень дроблением камня в дробилках разных конструкций (щековых, конусных), а мелкий щебень (с величиной кусков менее 25 мм) — на молотковых или валковых дробилках. Технология производства щебня состоит из следующих операций: раскалывание камня на куски, размеры которых соответствуют типу дробилки; загрузка (подача) камня в дробилки; дробление камня до получения зерен заданной величины; подача щебня на сортировку; сортировка щебня (по крупности зерен) на вращающихся грохотах и перемещение отсортированного щебня к месту хранения. При дроблении щебень в зависимости от характера горной породы принимает разную форму. Предварительно о качестве щебня судят визуально по его однородности, влажности и загрязненности. Окончательно качество щебня определяется на основании лабораторных определений гранулометрического состава, формы и размера зерен и физико-механических свойств. Применяется щебень в строительстве очень широко для приготовления цементобетонных и асфальтобетонных смесей.
Помимо описанных наиболее распространенных природных каменных материалов изготовляются в обширном ассортименте каменные изделия специального назначения. Это — камни и плиты для облицовки мостовых опор, устройства ледорезов, плиты для полов и тротуаров, блоки и плиты для кладки цоколей, плиты для подоконников, лестничные ступени и др. В южных районах нашей страны большую роль в строительстве играет пиленый камень-ракушечник, применяемый в основном для кладки стен малоэтажных зданий.
|
|
|
