Материалы и изделия из природного камня

ТЕМА 4. 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 наряду с древесиной был первым строитель­ным материалом, используемым человеком. Из глубины веков приш­ли к нам памятники архитектуры, возведенные из природного камня: одно из древнейших культовых сооружений Стоунхендж в Англии, пирамиды в Египте, храмы Древней Греции. Средневековые замки и храмы, построенные из природного камня, можно найти в каждой стране. И в наши дни практически все монументальные постройки выполняются с использованием природного камня.

Природный камень, применяемый непосредственно как строи­тельный материал, привлекает своей декоративностью и долговечно­стью. Облицовка зданий и сооружений природным камнем, а также использование камня в интерьере зданий придает им не только архи­тектурную выразительность, но и респектабельность и престиж­ность. Высокая стойкость природных каменных материалов делает их незаменимыми для гидротехнических сооружений, дорожного и мос­тового строительства и во многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокую долговечность сооружения.

Пористые камни, такие, как известняк-ракушечник или вулкани­ческий туф, очень эффективны как местный материал для возведения стен, вместо кирпича и других искусственных стеновых материалов, так как энергозатраты на их добычу несравнимо меньше, чем на об­жиг кирпича или изготовление бетонных панелей и блоков (с учетом производства цемента и арматуры).

Огромное количество природных каменных материалов исполь­зуется в качестве сырья для получения большинства строительных материалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ. Мил­лионы кубометров песка, щебня и гравия расходуются на получение бетонов и растворов.

Природные каменные материалы занимают одно из основных мест в ряду строительных материалов. Общая доля затрат в строитель­стве на эти материалы, называемые «нерудными материалами», пре­вышает 20 %.

Знакомство с природными каменными материалами целесооб­разно начинать с изучения свойств основных горных пород и минера­лов.

Горной породой называют крупное скопление, сложенное из одно­го или нескольких минералов (соответственно моно- или полимине­ральные породы) и характеризующееся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минера­лов в горной породе определяет ее минеральный состав. Форма, раз­мер и взаимное расположение минералов, наличие пор и т. п. обусловливают ее структуру. Минеральный состав и структура опре­деляют свойства горной породы.

Они содержат в своем составе металлы в таких соедине­ниях и концентрациях, при которых возможно промышленное извле­чение этих металлов. В данном учебнике они не рассматриваются.

 

ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

Минерал (от лат. minera — руда) — 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 — твердые тела: кри­сталлические и аморфные.

В природе найдено более 3 тыс. минералов, но лишь немногие из них образуют крупные скопления; такие минералы называют породо­образующими.

Каждый минерал обладает комплексом только ему присущих свойств и признаков. К ним относятся: химический состав и строе­ние, плотность, твердость, спайность, оптические свойства (блеск, цвет, светопреломление и др.). По этим признакам идентифицируют минералы.

Твердость — наиболее характерное свойство минералов. Сущест­вует много методов определения твердости (см. п. 2.5), простейший из них — метод оценки относительной твердости по десятибалльной шкале (табл. 4.1), предложенной немецким геологом Ф. Моосом (1811 г.).

Таблица 4.1. 1 Шкала твердости минералов
Показатель твердости по Моосу	Минерал	Характеристика твердости
	Тальк Гипс Кальцит Плавиковый шпат Апатит Ортоклаз   Кварц Топаз Корунд Алмаз	Легко чертится ногтем Чертится ногтем Легко чертится стальным ножом Чертится стальным ножом под нажимом -С трудом царапается ножом, стекла не царапает -При сильном нажиме царапает стекло,сталь­ным ножом не царапается -Легко чертит стекло   8—10 — Сильные абразивы

 

Халцедон — скрытокристаллическая разновидность кварца, со­держащая до 1,5 % воды и примеси оксидов железа и алюминия.

Опал — гидрат оксида кремния SiO₂ ·nН₂О (содержание воды 2... 14 %); в опале могут быть примеси оксидов магния, алюминия, же­леза и др. Встречается в породах органогенного происхождения: диа­томитах, трепеле и др.

Полевые шпаты (от нем. spalten — раскалываться) — группа алю­мосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов общей фор­мулой Me • А1₂О₃ • «SiO₂ (где Me — калий, натрий или кальций). Полевые шпаты — самые распространенные минералы, составля­ющие более 50 % от массы изверженных пород (гранитов, сиенитов, габбро и др.).

Главнейшими разновидностями полевых шпатов явля­ются:

ортоклаз (прямораскалывающийся) К₂О ·А1₂О₃ • 6SiO₂;

плагиоклазы (косораскалывающиеся) непрерывного изоморфного ряда от альбита Nа₂О · А1₂О₃ · 6SiO₂ до анортита СаО • А1₂О₃ ·2SiO₂.

Полевые шпаты — довольно твердые минералы: твердость — 6...6,5. Спайность у них проявляется в двух плоскостях. Плотность в зависимости от состава — 2500...2800 кг/м³. Температура плавле­ния — 1200...1500 °С. Прочность и стойкость несколько ниже, чем у кварца (R_сж до 200 МПа).

Цвет полевых шпатов зависит от примесей и чаще всего бывает от белого до темно-серого и от светло-розового до темно-красного. Осо­бым декоративным эффектом отличается относящийся к группе по­левых шпатов Лабрадор, обладающий свойством ирризации (от греч. iris — радужный). Он образует яркие радужные отсветы из глубины кристаллов при общем темно-сером цвете породы.

При выветривании полевых шпатов образуются глинистые мине­ралы (каолинит, монтмориллонит и др.) и соли натрия, калия и каль­ция, обогащающие воду морей ионами Na⁺, K⁺, Са⁺².

Железистомагнезиалъные силикаты — темноокрашенные мине­ралы, входящие в состав основных и ультраосновных изверженных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Наиболее распространенные минералы этой группы — пироксены, амфиболы, роговая обманка и оливин.

Средняя плотность у этих минералов больше, чем у кварца и поле­вых шпатов, за счет присутствия железа — 3200...3800 кг/м³; твер­дость — 5,5...6,5. Отличительная черта железистомагнезиальных силикатов — высокая ударная вязкость, благодаря чему породы, в ко­торых присутствуют эти минералы, имеют меньшую хрупкость и повышенную износостойкость. Цвет минералов этой группы — от темно-зеленого до черного; он зависит от содержания железа в их со­ставе. Все минералы этой группы, за исключением оливина, стойки к выветриванию.

Слюды — группа минералов, представляющих собой водные алю­мосиликаты слоистой структуры и обладающих весьма совершенной спайностью в одной плоскости, т. е. легко расщепляющиеся на тон­чайшие пластинки. Твердость слюд не высока — 2,5..3. Слю­да — широко распространенный минерал изверженных и осадочных пород. Общее количество слюды составляет несколько процентов от массы всей земной коры, но промышленные месторождения слюды с крупными кристаллами (10 см² и более) встречаются редко. Среди слюд наибольшее распространение имеют мусковит и биотит.

Мусковит — прозрачная калиевая слюда плотностью 2750... 3000 кг/м³. Вплоть до XVIII в., т. е. до начала промышленного выпу­ска стекла, мусковит применяли для устройства окон, и в Европе его называли «vitrum Moscovitum» — стекло из Московии. В настоящее время мусковит применяют в качестве электроизоляционного высо­котемпературного материала, защитной (бронирующей) посыпки для рубероида, а также добавляют в составы огнеупорных красок и де­коративных растворов.

Биотит — темная железистомагнезиальная слюда; плот­ность — 3000...3300 кг/м³. Для строителей представляет интерес ее разновидность — вермикулит с молекулярной межслоевой водой. Благодаря этому вермикулит при нагревании до 900... 1000 ° С вспучи­вается как гармошка, увеличиваясь в объеме в 15...20 раз. Вспученный вермикулит применяют для изготовления тепло- и звукоизоляцион­ных материалов.

Асбест — группа минералов, водных силикатов магния и желе­за, кристаллы которых представляют собой тончайшие волокна, легко поддающиеся распушке (отсюда народное название асбе­ста — «горный лен»). В России находятся крупнейшие в мире место­рождения наиболее ценного вида асбеста — хризотил-асбеста 3MgO ·2SiO₂ ·2Н₂О, используемого при производстве асбестоце-ментных изделий (подробнее см. п. 14.5).

Глинистые минералы — группа водных силикатов алюминия общей формулой А1₂О₃ • «SiO₂ • mH₂O. Эти минералы составляют ос­новную массу глин. Образуются глинистые минералы в результате выветривания полевых шпатов в виде очень мелких частиц размером не более 0,01 мм, которые, в свою очередь, представляют агрегаты мельчайших кристаллов. Глинистые минералы гидрофильны и при увлажнении образуют пластичное тело Среди глинистых минералов чаще всего встречаются каолинит и монтмо­риллонит.

Каолинит А1₂О₃ • 2SiO₂ · 2Н₂О — очень мягкий (твердость 1) ми­нерал белого цвета. Используется при производстве тонкой керами­ки, для получения бумаги и в качестве наполнителя в полимерных материалах.

Монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава. Размер его чешуйчатых кристаллов еще меньше, чем у каолинита, благодаря чему он обладает высокой адсорбционной способностью и очень пластичен в увлажненном состоянии.

Карбонаты — группа минералов, представляющих собой соли угольной кислоты. Встречаются в основном в осадочных породах. Стойкость минералов невысокая. Основные представители минера­лов группы карбонатов — кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит СаСО₃ — один из наиболее распространенных минера­лов поверхностного слоя земной коры. Кальцит хрупок, обладает со­вершенной спайностью по трем плоскостям; при раскалывании всегда образует кристаллы в виде косых параллелепипедов. Кальцит без примесей — прозрачный. Его плотность — 2700...2750 кг/м³, твердость — 3. Он легко разлагается кислотами, с бурным выделени­ем углекислого газа, растворяется в воде насыщенной СО₂. При на­гревании выше 800 ° С кальцит разлагается на СаО и СО₂. Породы, сложенные из кальцита (мел, известняк, мрамор), характеризуются низкой химической и атмосферостойкостью.

Магнезит MgCO₃ по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже. Плотность — около 3000 кг/м³, твердость — 3,5...4,5. В отличие от кальцита растворяется в разбавленных кислотах лишь при нагревании. Образует породу того же названия.

Доломит СаСО₃ · MgCO₃ — довольно распространенный мине­рал, по свойствам занимающий промежуточное положение между кальцитом и магнезитом. Плотность — 2800...2900 кг/м³, твер­дость — 3,5...4. В кислотах растворяется, но без «вскипания». Образу­ет породу того же названия.

Сульфаты — группа минералов, представляющих собой соли сер­ной кислоты. В строительстве находят применение гипс, ангидрит и в меньшей степени барит.

Гипс CaSO₄ • 2Н₂О — очень мягкий минерал. В чистом виде про­зрачный, но обычно окрашен примесями в светло-серый, желтова­тый или розоватый цвет, а его плотность — 2320 кг/м³, твердость — 2. I и пс заметно растворим в воде (2,4 г/л при 20 °С). В природе встречается как самостоятельная порода и как цементирующее вещество в природных конгломератах.

Ангидрит CaSO₄ — безводная разновидность гипса — существует в нескольких кристаллических формах. Природная форма — β-CaSO₄ — нерастворимый ангидрит. Плотность — 2980 кг/м³, твер­дость — З...3,5. Цвет светло-серый, серо-голубой; за счет полупроз­рачности, дает эффект свечения изнутри.

Барит BaSO₄ — бесцветные или белые кристаллы; твердость — 3... 3,5; плотность — 4300...4700 кг/м³. Его применяют в бетонах и рас­творах для защиты от ионизирующего излучения.

ГЛАВНЕЙШИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Для того чтобы легче разобраться в многообразии горных пород и выявить причины в различии их свойств, целесообразно воспользо­ваться классификацией горных пород, в основу которой положено их происхождение (генезис). Принципы такой классификации были предложены еще М. В. Ломоносовым, а в современном виде она была доработана российскими учеными Ф. Р. Левинсоном-Лессингом, А. П. Карпинским и др.

Генетическая классификация горных пород учитывает условия их образования, которые предопределяют строение и, следовательно, свойства пород. В соответствии с этой классификацией выделены (рис. 4.1):

магматические — первичные породы, образующиеся при остыва­нии магмы;

осадочные — вторичные породы, образовавшиеся в результате вы­ветривания магматических пород;

метаморфические — осадочные и магматические породы, изме­нившие свое строение и свойства в результате длительных физи­ко-химических процессов, протекающих под воздействием высоких давлений, температур и минерализованных вод, во время нахождения их в земной коре.

Магматические породы

Магма представляет собой высокотемпературный силикатный расплав, который в зависимости от режима охлаждения может обра­зовать:

• плотные кристаллические породы, если остывание магмы про­исходило медленно и под большим давлением в глубине земной коры (глубинные магматические породы);

●аморфные (стеклообразные) или слабозакристаллизованные, а при наличии газа в магме — пористые породы {излившиеся магмати­ческие породы).

Минеральный состав пород зависит от химического состава маг­мы. Различают магмы кислые (содержание SiO₂ > 65 %), средние (со­держание SiO₂ = 50...65 %) и основные (содержание SiO₂ < 50 %).

В горных породах, образовавшихся из кислой магмы, обязательно присутствует кварц. Если порода образовалась из основной магмы, в ней преобладают темноокрашенные железистомагнезиальные алю­мосиликаты. Практически во всех изверженных кристаллических по­родах основная доля объема приходится на полевые шпаты.

Ниже рассмотрены главнейшие представители изверженных по­род.

Глубинные породы характеризуются кристаллической структурой, отсутствием пор, высокой прочностью, твердостью и морозостойкостью

В полированном виде глубинные породы очень декоративны. К ним относятся: граниты, сиениты, габбро и диориты.

Гранит — зернисто-кристаллическая порода (рис. 4.2, а), сло­женная из трех минералов: кварца (20...40 %), полевых шпатов (40...70 %) и слюды (5...20 %); иногда слюду заменяет роговая обманка.

Строительные свойства гранитов (в среднем) следующие: плот­ность — 2600...2700 кг/м³; предел прочности при сжатии — 100... 250 МПа, а при растяжении, как и у других каменных материалов, в 20...30 раз ниже; вследствие малой пористости и низкого водопогло-щения (< 1 %) граниты очень морозостойки (F > 1000); химически стойкость их также высока; граниты — твердые породы (твердость более 6). Цвет гранитов определяется цветом полевого шпата и быва­ет чаще всего серым, розовым и темно-красным. Граниты хорошо по­лируются, приобретая декоративный вид.

Граниты широко применяют для облицовки зданий и инженер­ных сооружений (набережные, мосты и т. п.), устройства полов обще­ственных зданий и монументальной скульптуры.

Сиениты — аналоги гранита, но без кварца (образовались из сред­них магм); свойства и области применения такие же, как у гранита.

Диориты — темно-серая мелкокристаллическая порода, состоя­щая в основном из полевых шпатов (около 15%) к темноокрашенных минералов. Плотность — 2800...3000 кг/м³. Отличается повышенной ударной вязкостью. Применяют для облицовки и в дорожном строи­тельстве (брусчатка и т. п.).

Габбро — крупнокристаллическая порода, образовавшаяся из ос­новной магмы; состоит из полевых шпатов (около 50 %) и темноокра­шенных минералов (авгита, роговой обманки и т. п.). Плотность — 2900...3300 кг/м³; предел прочности при сжатии — 200...350 МПа.

Как и гранит, габбро характеризуется высокой морозостойкостью и стойкостью против выветривания.

Цвет — темно-серый, темно-зеленый до черного. Габбро хорошо полируется и имеет красивую текстуру. Одна из разновидностей габ­бро — лабрадорит — очень декоративна благодаря содержащемуся в ней ирризирующему полевому шпату

Излившиеся плотные породы имеют слабозакристаллизованную или стеклообразную структуру. Для ряда излившихся пород характер­на порфировая структура (рис. 4.2, б), когда в общей аморфной массе вкарплены кристаллы какого-либо минерала. Так, излившийся ана­лог гранита — кварцевый порфир, имеет вкрапления кристаллов квар­ца, аналог диорита — порфирит — имеет вкрапления полевых шпатов. Некоторые виды порфиров очень декоративны.

Базальт — аналог габбро — самая распространенная излившаяся порода; в зависимости от условий образования имеет стекловатую или скрытнокристаллическую структуру. Цвет базальта — темно-се­рый до черного. По физико-механическим показателям базальт ана­логичен габбро, а по прочности даже превосходит его (В_сж достигает 500 МПа). Базальты очень твердые, но хрупкие породы, что затрудня­ет их обработку.

Плотные излившиеся породы менее декоративны и менее стойки к выветриванию, чем их глубинные аналоги. Применяют их, главным образом, как щебень для бетона, отсыпки железнодорожных путей и т. п. Базальт также используют в качестве сырья для каменного литья и получения высококачественной минеральной ваты.

Излившиеся пористые породы образовались непосредственно при извержении вулканов. Первичными продуктами извержения являют­ся вулканические пеплы, пески и пемза; с течением времени они мог­ли цементироваться, образуя туфы.

Вулканические пепел и песок — порошкообразные частицы, имею­щие стеклообразное строение, благодаря чему при добавлении изве­сти или цемента, а иногда и самостоятельно они способны к твердению. Используются как активная добавка к вяжущим (впервые были использованы в Древнем Риме — пепел Везувия — для прида­ния извести водостойкости).

Пемза — очень пористая легкая порода в виде кусков размером 5...100 мм. Плотность пемзы в куске — 500...1000 кг/м³. Большая по­ристость (до 80 %) обусловливает низкую теплопроводность (0,14...0,23 Вт/(м • К)). Прочность при сжатии пемзы не велика — 2...4 МПа, но этого достаточно для получения на базе пемзы легких бетонов. Кроме того, пемза используется в молотом виде как добавка к цементам и в качестве абразивного порошка.

Вулканические туфы — порода, образовавшаяся из вулканиче­ских пеплов, которые омонолитились в результате спекания массы, сохранившей высокую температуру, или в результате природной це­ментации. Вулканические туфы — пористая порода (П = 30...60 %), имеющая низкую плотность, равную 800...1800 кг/м³. Поры у туфа в большинстве своем замкнутые, что обусловливает его высокую моро­зостойкость. Прочность при сжатии зависит от пористости и состав­ляет 2...20 МПа. Теплопроводность у туфа в 1,5...2 раза ниже, чем у кирпича. Цвет туфов разнообразный, но не яркий, а глухой; основ­ные оттенки: красно-оранжевые и до коричневато-лиловых. Круп­нейшие месторождения туфов имеются в Армении, возникшие в результате деятельности ныне потухшего вулкана Арарат.

Туфы используют как облицовочный материал, а в местах круп­ных месторождений — как эффективный материал для кладки стен. Благодаря низкой твердости туфа стеновые камни из него вырезают механизированным способом прямо в карьере (рис. 4.3). В тонкомо­лотом виде туф используют как добавку к цементам.

Туфовая лава — разновидность вулканических туфов, образовав­шаяся при попадании пепла и пемзы з огненно-жидкую лаву. По структуре, свойствам и областям применения туфовая лава аналогич­на вулканическому туфу, но благодаря большей доле замкнутых пор более долговечна.

 

Осадочные породы

Осадочные породы в зависимости от происхождения принято де­лить на:

• механические осадки, при образовании которых главную роль иг­рали физико-механические процессы (воздействие воды, мороза, на­грева и охлаждения и т. п.); при этом, как правило, не менялся минеральный и химический состав исходных пород;

• органогенные осадки, которые образовались из остатков (скелет­ной части) живых организмов, как правило, морской фауны (ракуш­ки, кораллы и т. п.);

• хемогенные осадки, образовавшиеся в результате растворения первичных пород и последующей кристаллизации из водных раство­ров.

Механические осадочные породы могут быть рыхлые (гравий, пе­сок, глина) и сцементированные — те же рыхлые осадки, частицы ко­торых склеены природным цементом (брекчии, конгломераты, песчаники).

Необходимо подчеркнуть причины, по которым преобладающим минералом песка является кварц. При выветривании гранита кварц оказывается самым твердым (тв. 7) и химически стойким минералом, не подвергающимся разрушению, а разрушающим более слабые со­седствующие с ним минералы (полевой шпат, слюду и т. п.). Его зерна лишь слегка окатываются при перемещении ветром или водой.

Не менее распространенной, чем песок, рыхлой осадочной поро­дой является глина, поскольку источником ее образования служат са­мые распространенные минералы изверженных пород — полевые шпаты

Под действием минерализованных грунтовых вод и давления вы­шележащих горных пород рыхлые осадочные породы могут цементи­роваться, образуя так называемые сцементированные осадочные породы: песчаники, брекчии и конгломераты.

Песчаники состоят из зерен кварцевого песка, сцементированного природным цементом, например, карбонатом кальция, водным кремнеземом, гипсом и т. п. Цементация происходит путем посте­пенного осаждения на зернах песка цементирующего вещества из во­ды (как накипь в чайнике). В зависимости от цементирующего вещества песчаники называют известковыми, кремнистыми и т. д. Цвет их зависит от цвета цементирующего вещества.

Наибольшее применение в строительстве получили достаточно водостойкие известковые и кремнистые песчаники. Известковые

песчаники легче обрабатываются, кремнистые более прочные и стой­кие.

Плотность песчаников — 2300...2500 кг/м³, прочность — от 10 до 100 МПа. Песчаники использовались для возведения зданий с глубо­кой древности, так как добывать их значительно легче, чем магмати­ческие породы, а свойства их достаточно хорошие. Известно много памятников архитектуры: соборов и замков (например, Виндзорский замок — резиденция английских королей), построенных из песчани­ка. В настоящее время песчаники используют для фундаментов, под­порных стенок, тротуаров, а особо стойкие — для облицовок; кроме того, из песчаников делают щебень для бетонов и дорожных покры­тий.

Конгломераты и брекчии — породы, состоящие из сцементиро­ванных крупных зерен гравия (конгломераты) или из остроугольных с шероховатой поверхностью зерен щебня (брекчии). Области их ис­пользования такие же, как у песчаников.

Органогенные осадочные породы в основном состоят из карбоната кальция СаСО₃ и реже из аморфного кремнезема SiO₂. Главнейшие породы в этой группе — известняки различного вида, используемые человеком для самых разных целей с глубокой древности.

Известняки плотные — широко распространенная на Земле гор­ная порода, состоящая в основном из кальцита СаСО₃; кроме кальци­та они содержат примеси магнезита, глины и кремнезема. Цвет известняков в зависимости от примесей: белый, светло-серый, серо­вато-кремовый или желтоватый.

Плотность известняков — 2000...2600 кг/м³, прочность при сжа­тии у них сравнима с прочностью бетона и составляет 10...100 МПа. Твердость небольшая — З...3,5, что позволяет легко добывать и обра­батывать известняк. Морозостойкость известняков существенно за­висит от пористости, степени цементации, наличия примесей и нуждается в постоянном контроле. Абсолютно не стойки они к воз­действию кислых сред.

Известняки — одна из самых важных горных пород для строите­лей. Они издавна использовались для возведения зданий и их обли­цовки (достаточно вспомнить слова «Москва белокаменная»), из известняков делались фундаменты. Самый распространенный ще­бень для бетонов и дорожных покрытий — известняковый, и, нако­нец, известняк — сырье для получения извести и цемента.

Мраморовидные известняки — переходные породы от плотных известняков к мраморам. Они имеют большую плотность (до 2700 кг/м³) и прочность (60... 150 МПа), чем обычный известняк.

 

Известняк-ракушечник — пористая порода, состоящая из рако­вин и панцирей моллюсков, сцементированных известковым цемен­том. Плотность ракушечника — 900...2000 кг/м³, прочность при «сжатии — 0,5... 15 МПа. Он имеет низкую теплопроводность и легко поддается распиловке. Используют в виде камней и блоков как мест­ный стеновой материал. Декоративные разновидности ракушечника применяют как облицовочный материал.

Мел — землистая горная порода, состоящая из мельчайших об­ломков раковин и скелетов морских микроорганизмов, представляет собой почти чистый кальцит СаСО₃. Используют при производстве извести, цемента, стекла и благодаря высокой дисперсности для при­готовления красок и шпатлевок.

Диатомиты и трепелы — рыхлые землистые породы белого, се­рого или желтоватого цвета, в основном состоящие из аморфного кремнезема SiO₂ • «Н₂О; по внешнему виду и физическим свойствам похожи на мел. Они образовались из остатков мельчайших водорос­лей, а также кремневых скелетов морской микрофауны (диатомий, радиолярий и т. п.) с примесью глины и ила. Со временем под давле­нием вышележащих слоев горных пород диатомиты и трепелы уплот­няются и превращаются в плотную, прочную и трудно размокающую в воде породу — опоку.

В диатомите и трепеле до 75...95 % активного кремнезема, поэто­му их применяют как гидравлическую добавку к вяжущим. Их также используют при производстве теплоизоляционных материалов.

Хемогенные осадочные породы образовались, главным образом, при испарении вод, содержащих минеральные соли. Для строителей интерес представляют сульфаты и карбонаты кальция и магния: гипс, ангидрит, известковый туф, магнезит и доломит.

Известковый туф образовался в результате выпадения СаСО₃ из источников подземных углекислых вод. Туфы пористы и имеют нозд­реватое строение. Они легко поддаются распиловке и используются для внутренней облицовки помещений, улучшая их акустические свойства. В этом отношении приобрела популярность разновидность туфа — травертин.

Магнезит — порода, состоящая в основном из минерала магнези­та MgCO₃. Используют для получения огнеупорных материалов и магнезиальных вяжущих (см. п. 8.4).

Доломит — порода, состоящая в основном из минерала доломита (аСО₃ • MgCO₃, с примесью глины, оксидов железа и др. По струк-i vpc и физическим свойствам доломит близок к плотным известнякам: p_m = 2200...2800 кг/м³;

R_сж= 50...200 МПа. Поэтому его применяют в качестве строительного камня и щебня для бетона.

Гипс — горная порода обычно белого или серого цвета, состоящая из минерала того же названия CaSO₄ ■ 2Н₂О. В строительстве ис­пользуют как сырье для получения гипсовых вяжущих. Благодаря низкой твердости применяют для изготовления мелких поделок по камню.

Ангидрит — плотная горная порода, состоящая преимущественно из минерала ангидрита CaSO₄. Цвет породы белый с голубым или се­рым оттенком. Используют для получения вяжущих и для внутренней отделки и скульптурных работ. На открытом воздухе быстро выветри­вается, переходя в гипс.

Метаморфические породы

Горные породы, находящиеся в земной коре, со временем могут существенно изменить структуру и свойства, не меняя принципиаль­но свой химический состав. Причина таких изменений — воздейст­вие давления, повышенных температур и минерализованных вод. Метаморфизироваться могут как магматические, так и осадочные по­роды. Яркий пример метаморфизма — превращение массивной маг­матической породы перидотита в слоистую породу серпентинит, имеющую в своем составе тонковолокнистый минерал — асбест. Среди метаморфических пород для строителя представляют интерес мрамор, кварцит, глинистый сланец и гнейс.

Мраморы — метаморфизированные известняки, состоящие из плотно сросшихся между собой кристаллов кальцита (СаСО₃), иног­да с примесью доломита (СаСО₃ • MgCO₃). Кристаллы в мраморе прочно связаны друг с другом без цементирующего вещества. Это произошло за счет огромного многостороннего давления на извест­няки в условиях повышенных температур. Мрамор имеет высокую плотность (2600...2800 кг/м³) и прочность (R^ = 30... 100 МПа); водо-поглощение мрамора менее 1 %. При всем этом твердость мрамора не высока — З...3,5, что облегчает его обработку.

Мраморы могут быть как чисто белого цвета, так и самых разнооб­разных цветов с характерным «мраморовидным» рисунком. Окраска мрамора объясняется проникновением в известняк в процессе мета-морфизации минерализованных вод, из которых впоследствии кри­сталлизуются окрашивающие мрамор минералы — примеси: гематит, лимонит, хлорит и др. Отличает мрамор от известняков еще одно свойство: мраморы хорошо полируются.

Мраморы широко применяют для отделки зданий и обществен­ных сооружений. Не рекомендуется использовать мрамор для полов с большой интенсивностью эксплуатации (он быстро изнашивается) и для наружной облицовки зданий. Последнее объясняется тем, что кальцит не стоек к действию влаги и кислотных оксидов (в том числе и СО₂), содержащихся в атмосфере городов. В этих условиях мрамор быстро теряет полировку и разрушается с поверхности.

Кварциты — метаморфизированные кремнистые песчаники, в которых кристаллы кварца непосредственно срослись между собой. Кварциты очень стойки к выветриванию, имеют высокую прочность (Д._ждо 400 МПа) и плотность (р_т = 2600...2700 кг/м³). Из-за большой твердости (тв. 7) кварциты трудно обрабатываются.

Цвет кварцитов белый, красный, темно-вишневый. Применяют их в ответственных частях зданий и сооружений, для облицовки, а также в виде щебня для бетона и сырья для получения огнеупоров.

Гнейсы — слоистая порода, образовавшаяся в результате перекри­сталлизации гранитов и других магматических пород при одноосном давлении. Поэтому гнейсы имеют слоистое (сланцеватое) строение, что облегчает их добычу и обработку, но снижает стойкость к вывет­риванию. Раскалываются гнейсы по слоям слюды.

Глинистый сланец образовался из глин в результате перекристал­лизации в условиях одноосного давления и повышенных температур. Сланцы имеют темно-серый цвет и легко раскалываются на плоские плитки. Такие плитки, называемые шифером (от нем. schiefer — сла­нец), используются в качестве долговечного кровельного материала. Многие архитектурные памятники в Европе имеют сланцевую кровлю.

ДОБЫЧА И ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО КАМНЯ ( самостоятельно)

Методы добычи и обработки природного камня зависят от вида конечной продукции (щебень, облицовочные плиты, стеновые кам­ни и т. п.) и свойств разрабатываемой породы (в основном от ее твер­дости).

В камнеобрабатывающей промышленности принята следующая классификация горных пород:

• твердые — породы, в состав которых входят минералы с твердо­стью 6...7 (кварцит, гранит, габбро, лабрадорит и т. п.);

• средние — минералы этих пород имеют твердость не выше 5(мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа и
Т. п.);

• мягкие — сравнительно небольшая группа пород с твердостью 2...3 (гипс, ангидрит, известняк ракушечник, высокопористые туфы и т. п.).

Щебень и бутовый камень получают, разрабатывая горные поро­ды взрывным методом. Образовавшиеся после взрыва обломки поро­ды дробят до нужного размера и рассеивают по фракциям. Недопустимо производить разработку камня взрывным методом в карьере, где происходит добыча камня для последующего получения облицовочных изделий, так как в этом случае камень делается трещи­новатым и непригодным для обработки.

Отделочные и стеновые изделия получают из камня, добываемого различными механизированными методами, не нарушающими структуру породы. Выбор конкретного метода добычи зависит, глав­ным образом, от твердости разрабатываемой породы.

Средние и мягкие породы добывают в карьерах с помощью камне­резных машин, снабженных твердосплавными дисковыми, цепными или канатными пилами.

Вырезку мелкоштучных блоков из таких пород производят поточ­ным методом. В этом случае по рельсовому пути, проложенному в карьере, движутся три дисковые камнерезные машины, производя­щие горизонтальные и вертикальные пропилы и пропилы, отделяю­щие камень от основного массива породы (см. рис. 4.3).

Дисковые пилы позволяют получить камни размером не более 35 % от диаметра диска, т. е. не более 50...70 см. Блоки большого раз­мера целесообразно выпиливать машинами с рабочим органом в виде фрезы. Представленная на рис. 4.4 машина СМ-177 позволяет делать разрезы глубиной до 70 % от диаметра фрезы, что для стандартных фрез составляет около 1 м.

Кроме машин с дисковыми режущими органами применяют ма­шины с цепными пилами, глубина пропила у которых достигает 1Д..2 м.

Для вырезки блоков из пород средней твердости могут приме­няться дисковые и цепные пилы, снабженные алмазными режущими насадками. Производительность таких машин в породах средней твердости в 4...5 раз выше (5...10 м²/ч), чем на твердосплавном инст­рументе (1... 2 м²/ч). Для мягких пород применение алмазного инстру­мента не эффективно.

В случае, если необходимо добыть блок камня большого размера (2...10 м), используют установки с канатными пилами (рис. 4.5). Режу­щим инструментом в таком случае служит стальной канат диаметром 4...6 мм. Канат соединен в виде кольца и приводится в движение двигательной установкой.

Для установки каната в рабочее положение не­обходимо предварительно пробуривать в массиве камня отверстия.

Установка канатного пиления работает на «свободном» абразиве (кварцевом песке, карборунде) фракции 0,3--0,6 мм, подаваемым в пропил вместе с водой. Скорость движения каната — 7... 10 м/с; про­изводительность установки — 1...2 м² пропила в час.

В последние годы получили распространение канатные пилы с армированным режущим органом: на многожильный канат насаже­ны «алмазные» втулки диаметром 10... 14 мм. Схема работы алмазной канатно-пильной установки показана на рис. 4.5. Благодаря большой скорости движения каната (3...5 м/с) такая установка имеет высокую производительность — 10... 15 м²/ч.

Твердые породы обычно разрабатывают, отделяя сначала крупный монолит. Затем его делят на блоки, из которых на камнеобрабатыва-ющем заводе получают требуемые изделия. Отделение монолита мо­жет осуществляться несколькими способами: буроклиновым, строчечным бурением и канатными пилами с алмазными насадками.

Буроклиновой способ, применяемый чаще других, заключается в том, что отделяемый объем камня обуривается по контуру перфора­торами. В полученные отверстия (шпуры) вводятся гидравлические или механические клинья или расширяющиеся составы на основе минеральных вяжущих веществ — так называемый «тихий взрыв». С их помощью монолит породы раскалывают по требуемой плоскости.

В старину для этой цели применяли силу замерзающей воды или на­бухающей древесины. Этот метод базируется на крайне низкой проч­ности камня при растяжении (для гранита R_p = 5...8 МПа при ^_ж > 100 МПа).

Добытые в карьере блоки перевозят на камнеобрабатывающий за­вод, где производится их распиловка на плиты или изготовление из них фасонных изделий.

Распиловка — трудоемкая операция. Для этого применяют чаще всего рамные пилы с гладкими полотнами-штрипсами, под которые подсыпается абразивный порошок (для твердых пород — чугунная дробь, для средних — кварцевый песок). Такие распиловочные станки благодаря большому числу штрипс могут одновременно распиливать до 10...20 плит. Поэтому, несмотря на малую скорость пиления, у штрипсовых станков достаточно высокая производи­тельность. Недостаток такой распиловки — грубо шероховатая, требующая шлифовки поверхность плит. Для пород средней твердо­сти применяют полотна с твердосплавными режущими элементами или дисковые твердосплавные пилы. Толщина получаемых плит 20...60 мм.

В последние годы в камнерезных машинах в качестве абра­зива все шире применяют алмазы. Их высокая твердость обеспе­чивает высокую износостойкость режущего инструмента и позволяет в 5... 10 раз увеличить скорость резания и производи­тельность при снижении расхода электроэнергии в 2...2,5 раза.

Кроме того, применение алмазных пил позволяет сократить ши­рину пропила в 3...4 раза, а толщину плит довести до 5... 10 мм. В ре­зультате из 1 м³ блока можно получить до 40...45 м² тонких плит, что в 2...3 раза выше, чем при обычных методах распиловки. Еще одна по­ложительная сторона алмазной распиловки — высокая чистота по­верхности резания, что позволяет на дальнейших этапах обработки плиты исключить процесс шлифования.

Кроме распиловки, для получения облицовочных плит применя­ют метод раскалывания, использующий крайне низкую прочность камня при растяжении. Раскалывание производится на специальных станках. Таким образом изготовляют брусчатку.

При получении плит методом раскалывания затраты труда со­ставляют 10... 15 % от затрат труда при пилении. Однако применение этого метода ограничивается большой толщиной получаемых изделий (60... 120 мм) и грубой фактурой (фактура скалы) поверхности.

После распиловки поверхность плит обрабатывают для получе­ния требуемой фактуры, при этом используют механические и ручные скалывающие инструменты. В последнее время применяют термогазоструйный метод. Однако обработке этим методом хорошо поддаются лишь кварцесодержащие породы.

Для получения гладких шлифованных и полированных поверхно­стей используют специальные станки.

Для точной обрезки кромок плит, а также для получения профи­лированных изделий (поясов, карнизов, ступеней и т. п.) применяют фрезерные и профилирующие машины. Режущими элементами в этих машинах являются диски и профилирующие фрезы, изготовлен­ные из особо твердых абразивов: корунда, алмазов и т. п.

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Области применения природного камня очень широки. Здесь мы коснемся использования камня в непосредственном виде, т. е. под­вергнутого только механической обработке. Горные породы, как сырье для получения других строительных материалов, рассматрива­ются в соответствующих разделах.

Технические требования к каменным материалам. Как и всякий строительный материал, природные каменные материалы должны удовлетворять ряду требований. Основными показателями качества природных каменных материалов являются предел прочности при сжатии (марка материала), средняя плотность, морозостойкость и ко­эффициент размягчения. Кроме того, в специальных случаях опреде­ляют истираемость, износостойкость, сопротивление удару и другие показатели.

В соответствии с требованиями СНиПа природные каменные ма­териалы и изделия классифицируют по следующим признакам:

• по средней плотности: тяжелые (р_ш > 1800 кг/м³) и легкие (р_ш ≤1800кг/м³);

• по прочности на сжатие (кгс/см²) на марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35;
50;75; 100; 125; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 800 и 1000(соответственно в МПа от 0,4 до 100); причем легкие каменные материалы имеют мар­ки до 200, а тяжелые — от 100 и выше;

• по морозостойкости (количество циклов замораживания и отта­ивания) на марки: 10; 15; 25; 50; 100; 200; 300 и 500;

Свежедобытые пористые породы (известняки, доломиты, песчаники, туфы и т. п.) могут очень быстро разрушаться при за­мораживании вследствие того, что их поры заполнены «горной влагой» так, что коэффициент насыщения пор К_нас близок к 1. После просушки на воздухе эти породы становятся достаточно морозостойкими.

• по коэффициенту размягчения: 0,6; 0,75; 0,8; 0,9 и 1,0.

Коэффициент размягчения К _разм камня, применяемого для фун­даментов, дорожных и гидротехнических конструкций, должен быть не ниже 0,8, а для наружных стен зданий — не ниже 0,6.

Виды материалов и изделий. В зависимости от степени обработки различают грубообработанные каменные материалы и штучные изде­лия и профилированные детали.

К грубообработанным материалам относят:

• песок — минеральные зерна размером от 5 до 0,16 мм, получае­мые при просеивании мелких рыхлых пород или дроблением и рассе­вом отходов камнеобработки;

• гравий — окатанные (округлые) зерна размером от 5 до 150 мм, получаемые из рыхлых залежей рассевом;

• щебень -~ куски камня неправильной формы размером от 5 до 150 мм, получаемые, главным образом, дроблением крупных кусков горных пород с последующим рассевом (встречается и природный щебень — «дресва»);

• бутовый камень — крупные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправиль­ной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыва­нием из слоистых пород.

К изделиям из природного камня относят: ко­лотые и пиленые плиты и камни для облицовки и кладки стен, уст­ройства полов, дорожных покрытий, гидротехнических сооружений и др.

Стеновые камни получают выпиливанием из мягких горных по­род (пористых «пильных» известняков, опок и вулканических туфов), имеющих следующие физико-механические показатели:

Размер основных типов камней 390 х 190 х 188 мм; 390 х 190 х х 288 мм и 490 х 240 х 188 мм. Каждый такой камень заменяет 8...16 кирпичей. Это очень эффективные в экономическом и экологиче­ском аспекте местные стеновые материалы. Например, в Армении очень много построек, как старинных, так и современных, выполне­но из вулканического туфа; в Крыму для этих целей широко исполь­зуют известняк-ракушечник.

Наружную облицовку зданий выполняют из плит и фасонных дета­лей из плотных и атмосферостойких пород, в основном из глубинных изверженных (граниты, сиениты, габбро и др.) или плотных извест­няков. Именно использование известняка для облицовки москов­ских зданий дало Москве эпитет «белокаменная»; в Армении основной облицовочный материал — вулканический туф.

Внутреннюю облицовку зданий производят плитами из пород сред­ней твердости: мраморов, пористых известняков (травертина, раку­шечника) и др. Пористые породы, кроме декоративного эффекта, обеспечивают хорошую акустику помещений и поэтому рекоменду­ются для театров и кинотеатров.

Устройство покрытий пола производят полированными (реже шлифованными) плитами из твердых пород (гранит, сиенит и др.). Примером устройства полов из таких плит могут служить станции и переходы Московского метро. В помещениях с малой интенсивностью движения и высокими требованиями к декоративности воз­можно использование плит из мрамора. Толщина плит пола — не менее 20 мм. Лестницы, как и полы, облицовывают твердыми износостой­кими породами.

Примером неправильного инженерного решения было устройст­во мраморных полов или сочетание гранитных и мраморных плит на некоторых станциях метро, приводящее к нарушению ровности пола.

В зависимости от способа получения облицовочные плиты делят на колотые и тесаные, получаемые обработкой ударными инструмен­тами, и пиленые, получаемые распиловкой каменных блоков.

Колотые и тесаные плиты применяют для наружной облицовки уникальных зданий и сооружений. Чаще используют облицовку пи­леными плитами, толщина которых для наружной облицовки состав­ляет 20...60 мм, а для внутренней — 5...20 мм (тонкие плиты получают алмазной распиловкой; их стоимость в несколько раз ниже, чем обычных плит, что значительно расширяет сферу использования ка­менной облицовки).

Поверхность облицовочных плит может иметь различную факту­ру (рис. 4.6), выбираемую в зависимости от желаемого декоративного эффекта.

Ударной обработкой можно получить следующие фактуры:

• фактуру «скалы» с крупными буграми и впадинами;

• рифленую и бороздчатую с правильным чередованием гребней и впадин глубиной от 0,5 до 2 мм;

• точечную — равномерно шероховатую с углублениями не более 2 мм.

Абразивной обработкой получают более гладкие фактуры:

• пиленую с глубиной бороздок не более 1 мм;

• шлифованную — равномерно шероховатую с глубиной рельефа < 0,5 мм;

• лощеную — гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисун­ком и цветом камня, но не имеющую блеска;

• полированную — гладкую с зеркальным блеском, полностью вы­являющую цвет и структуру камня.

Дорожные каменные материалы изготовляют из плотных прочных и износостойких пород, так как условия работы дорожных материа­лов крайне суровы. К дорожным материалам относятся: бортовые камни, брусчатка и булыжный камень.

Бортовые камни, служащие для отделения проезжей части от тро­туаров, изготовляют главным образом из сиенита и гранита. Они представляют собой прямоугольные параллелепипеды длиной 1000...2000 мм, высотой 300...400 мм и шириной 100...200 мм.

Брусчатка — колотые или тесаные камни из изверженных или плотных осадочных пород, имеющие форму, близкую к кубу. Брус­чатка — очень долговечное и декоративное покрытие улиц и площа­дей; в частности, брусчаткой вымощена Красная площадь в Москве.

Булыжный и колотый камень используют для устройства верхних покрытий дорог IV и V категорий, оснований под дороги, укрепления откосов земляных сооружений и для берегоукрепительных работ. В наше время булыжный камень применяют редко, так как это требует больших затрат ручного труда.

Каменные материалы для гидротехнических сооружений — глав­ным образом, защитные облицовки мостовых конструкций, шлюзов и плотин, устройство набережных и т. п. Основное требование к гор­ным породам, используемым для этих целей,— высокая морозостой­кость (не менее F300) и износостойкость. Этим требованиям удовлетворяют плотные изверженные породы (граниты, сиениты, диабазы и др.).