Материалов из природного камня

Тема 3.2 Номенклатура, свойства, методы испытаний и оценка качества

Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, камни, плиты, архитектурно-строительные изделия (плоскостные и профильные), в том числе специального назначения: для гидротехнических сооружений (морских и речных), подземных сооружений и мостов (тоннелей, подводных и надводных частей мостов), для дорожного строительства.

Архитектурно-строительные изделия служат для наружной и внутренней облицовки, устройства лестниц, парапетов площадок, ограждений. К этой группе изделий относятся плиты цокольные пиленые и колотые, накрывочные пиленые и колотые, подоконные пиленые, ступени цельные пиленые и колотые, проступи пиленые, парапеты прямоугольные, 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. Изготовляют балясины в основном из мрамора. Порталы – профильные изделия для обрамления дверных проемов, выполняемых, как правило, из гранита, габбро, лабрадорита и др. изверженных пород. Деталь карниза – профильное изделие в виде декоративного выступа на верхней части наружной облицовки поля стены, защищающего ее от стекающей с кровли воды. Получают при соответствующей обработке изверженных прочных 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) используют при оформлении фасадов зданий, фонтанов, набережных, в ландшафтной архитектуре. Изготовляют обычно из гранита.

К материалам специального назначения относят бутовый камень (куски неправильной формы не более 50 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, используют 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. Представления о свойствах природных каменных материалов связано, как правило, с высокой прочностью и долговечностью. Однако природный камень – материал весьма разнообразный по структуре, часто сложенный из различных минералов, нередко подвергающийся в процессе образования и последующего залегания в земной коре воздействию значительных напряжений. Влияние на свойства природных каменных материалов оказывают также способы его добычи и обработки. Эксплуатационно-технические свойства природных каменных материалов (как и эстетические) определяются структурой горной породы. При ее оценке учитывают непосредственную связь с составом и свойствами породообразующих минералов, отличающихся разнообразными характеристиками.

Характеристика некоторых породообразующих минералов

Минерал	Природный камень, в состав которого входит минерал	Плотность минерала, г/ см^3	Твердость минерала по шкале Мооса
Кварц	Гранит, гнейс	2,65
Полевые шпаты: - ортоклаз, микроклин (калиевый полевой шпат) - плагиоклаз (натриевый шпат)	То же   Гранит, гнейс, диорит, габбро и др.	2,56   2,68
Слюды: - мусковит   - биотит	Большинство изверженных природных камней, кроме карбонатных То же	2,9	2 - 3
Пироксены: - авгит   - роговая обманка	Гранит, габбро, диабаз, базальт, андезит, трахит и др. То же	3,3   3,35	5 – 6

Учитывая характеристики минералов, их количество и характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяют кристаллические, пегматитовые, стекловатые, порфировые и другие структуры горных пород. При определении характера кристаллической структуры горной породы устанавливают, в частности, крупность зерен. В зависимости от их размеров у твердых 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 твердости (мрамор и др.) структура с размером зерен более 1 мм считается крупнозернистой; от 25 до 1 мм – среднезернистой; до 0,25 мм – мелкозернистой. Образцы для оценки структуры и других физико-механических испытаний получают из природного камня, добываемого из массива на этапах геологической разведки. При оценке структуры природного камня отбирают куски возможно больших размеров с характерным для данной горной породы расколом. Учитывают размеры, форму образцов, характер раскола, фактуру поверхности раскола, стойкость минералов (способность при ударе раскалываться по определенным плоскостям), трещины, включения, секреции, а также звук от удара молотком.

Способы добычи и обработки природного камня, его рациональное применение в строительстве связывают, прежде всего, с твердостью материала. При определении твердости природных камней пользуются шкалой Мооса, сравнивая их твердость с твердостью определенных минералов, расположенных в характерном порядке по мере нарастания твердости: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз. Более точные данные о показателе рассматриваемого свойства получают, определяя микротвердость горной породы с помощью специального прибора (ПМТ-3), принцип действия которого основан на вдавливании в образец алмазной пирамиды.

Соотношение между твердостью минералов по шкале Мооса и твердостью, определяемой на приборе ПМТ-3

Минерал	Структура	Твердость по шкале Мооса	Твердость по ПМТ-3, МПа
Тальк	Чешуйчато-кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости
Гипс	Зернисто- или волокнисто-кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости
Кальцит	Кристаллическая, совершенная спайность в трех плоскостях
Плавиковый шпат	Зернисто-кристаллическая, совершенная спайность в трех плоскостях
Апатит	Зернисто-кристаллическая, совершенная спайность
Ортоклаз	Призматическая, совершенная спайность в двух плоскостях
Кварц	Кристаллическая, спайность отсутствует		11 200
Топаз	Кристаллическая, совершенная спайность в одной плоскости		14 270
Корунд	Мелкокристаллическая, спайность отсутствует		20 600
Алмаз	Кристаллическая, спайность по граням октаэдра		106 000

В зависимости от твердости природные камни делятся на три группы: твердые (6-7), средней плотности (3-5) и мягкие (1-2). Средняя плотность природных каменных материалов, в зависимости от их вида, обычно находится в пределах 800 – 3100 кг/м³.

Действие воды, замораживания-оттаивания, в также механических нагрузок на свойства природных каменных материалов в большей мере зависит от пористости, которая меняется в весьма широких пределах. Водопоглощение твердых природных камней, как правило, находится в пределах 0,01-5%; у природных камней средней твердости – в пределах 0,1 – 40%. Коэффициент размягчения указанных природных материалов средней твердости, 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 твердости – более 25 циклов, мягкие – 15 циклов и более.

Предел прочности при сжатии природных каменных материалов зависит от их твердости. 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, приготовляют (выпиливают, высверливают) два образца: со стороны верхней и со стороны нижней грани.

Истираемость имеет большое значение, прежде всего, для природных каменных материалов, которые используют для покрытий полов в различных общественных сооружениях. Весьма мала истираемость у твердых материалов – не более 0,5 г/см². У большинства природных камней средней твердости истираемость в пределах 1 – 5 г/см².

Долговечность природных камней, как правило, связана с их твердостью. К весьма долговечным природным камням относятся мелкозернистые граниты. Первые признаки их разрушения при наружной облицовке зданий в городах средней полосы России могут наблюдаться только через 500 лет. Крупнозернистый гранит, сиенит, габбро, лабрадорит – 200 лет; песчаник -100 лет; мрамор, пористый известняк, гипсовый камень – первые признаки разрушения наблюдаются через 25 лет и менее.

Эстетические характеристики природного камня высоко оцениваются специалистами. Богатство расцветок природных каменных материалов исключительно велико. В большей мере это объясняется тем, что 85% минералов окрашено природой. Так, 40% минералов зеленые, 20% - желтые, 10% - красные и коричневые, 7% - черные, 5% - синие, 3% - фиолетовые и пурпурные. Трудно назвать какой-либо участок цветного спектра, который не был бы повторен в природном камне. Это обстоятельство часто заставляет при оценке цвета природного камня прибегать к усложненным определениям. Например, желая подчеркнуть колористические особенности полупрозрачного белого мрамора, его называют «опалово-белым». Уточняя оттенок цвета рассматриваемых материалов, часто применяют двойную характеристику цвета – кирпично-красный, лимонно-желтый и т.д. Объективная колористическая оценка природного камня связана с определением известных параметров цвета. Прежде всего, целесообразно природные камни разделить на одноцветные (или равномерно окрашенные), например песчаник или белый мрамор, и многоцветные – из различно окрашенных породообразующих минералов. Для многоцветных природных камней важен «средний» преобладающий цвет. Четкость восприятия этого «среднего» цвета зависит от степени зернистости породы и контрастности расцветки, входящих в нее минералов. Например, в мелкозернистых породах расцветка сливается в свой «средний» цвет уже на расстоянии 2-3 м. Одноцветные и многоцветные природные камни разделяются на ахроматические и хроматические. Для ахроматических природных каменных материалов один из основных критериев декоративности – светлота, которая может меняться от 3,5 до 89%. Наиболее декоративны природные камни со светлотой не менее 56% (белые известняки и мрамор) или не более 6% (черные габбро и лабрадорит). Хроматические твердые природные камни более декоративны, чем ахроматические, но встречаются в природе гораздо реже. Например, из многих месторождений гранита около 75% относятся к серым и лишь 25% - к красным и красноватым. При оценке цвета природных каменных материалов следует также учитывать блеск минералов. Различают тусклый, жирный, перламутровый и яркий блеск. Некоторые разновидности минералов, например, лабрадор, обладают свойствами ирризации (отблеск в изломе или на полированной поверхности обычно синего, зеленовато-синего цвета).

Объективная колористическая характеристика природного камня связана с определением известных параметров цвета и количественным определением блеска с помощью фотоэлектрического блескомера. При оценке цвета светлых пород со сравнительно высокой пористостью, например, известняков, учитывают, что при эксплуатации они могут изменять цвет под влиянием атмосферных и других воздействий, в том числе запыления. Оценку цвета конкретного материала из природного камня производят также визуально по принятому заказчиком образцу-эталону с полированной поверхностью.

По характеру обработки фактуры природного камня делят на две основные группы: абразивные (пиленая, грубо- и тонкошлифованная, лощеная, полированная) и ударные («скала», крупно- и мелкобугристая, крупно- и мелкорифленая, бороздчатая, точечная или кованая). Кроме того, выделяют вскрытую (очищенную) фактуру и получаемую после обработки поверхности природного камня высокой температурой – термообработанную.

Пиленая фактура характеризуется сравнительно ровной с тонкими штрихами поверхностью и высотой рельефа до 3 мм. Грубошлифованная фактура отличается высотой рельефа 0,2-0,5 мм, повышенным светорассеянием, имеет следы обрабатывающего инструмента. Тонкошлифованная фактура – гладкая бархатистая. Лощеная фактура представляет собой последнюю грань шлифования и имеет слабый блеск. Полированная фактура получается на конечной стадии абразивной обработки и характеризуется зеркальным блеском. При этом предельно выявляются цветовой тон и текстура камня. Качество полировки можно оценивать по интенсивности отражения света, определяя соответствующий показатель b, %:

b = а · 100/ b, (11)

где а и b – интенсивность отражения света в единицах шкалы блескомера соответственно обработанной и эталонной поверхности.

Вскрытая (очищенная) фактура характеризуется матовой поверхностью с хорошо выявленной текстурой, получается после ультразвуковой обработки природного камня в водной среде.

Термообработанная фактура отличается шероховатостью, следами шелушения. Для ее получения лицевую поверхность природного камня обрабатывают высокотемпературной струей, выходящей из реактивной горелки термоинструмента. При этом от породы отделяются мелкие чешуйчатые частицы.

При оценке абразивных фактур учитывают, что они наиболее явно обнаруживают все дефекты природного камня. Большая часть природных дефектов неустранима. Но каверны, местные сколы и трещины можно заполнить специальной мастикой (горячей или холодной).

У фактуры «скала» грубый рельеф высотой 50 мм и более, который получают с помощью закольника или колочного станка. Такую фактуру рекомендуют, в основном, для твердых природных камней (гранита, габбро, лабрадорита), но она допустима и для плотных камней средней твердости. Бугристые фактуры характеризуются наличием на поверхности равномерно распределенных бугров и впадин. Выполняют их скалывающими инструментами (шпунтами, узкой скарпелью), которыми наносят удары под углом в 45-60^о к обрабатываемой поверхности. Высота рельефа для мелкобугристых фактур 3-6 мм, для крупнобугристых – 7-15 мм. Бугристую фактуру рекомендуют для гранита, ряда пород средней твердости, например, песчаников или плотных известняков. Рифленые фактуры отличаются наличием непрерывных параллельных борозд, располагаемых без строгой прямолинейности и получаемых с помощью строгальных станков или ручного инструмента (троянки). У крупнорифленых фактур высота рельефа 1-2 мм, у мелкорифленых – 0,5-0,7 мм. Эти фактуры рекомендуются для пород средней твердости. Бороздчатая фактура имеет прерывистые борозды, получаемые пластинчатой бучардой или катучей фрезой. Высота рельефа до 3 мм. Обычно эта фактура применяется на граните, габбро, лабрадорите. Точечная, или кованая, фактура представляет собой незначительные углубления, равномерно распределенные на предварительно выровненной поверхности. Обработку поверхности производят бучардой с различным количеством зубьев. Удары наносят перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. Высота рельефа 0,5-2 мм. Кованая фактура рекомендуется только для твердых природных камней. При оценке ударных фактур учитывают, что при наружной облицовке под влиянием атмосферных воздействий материалы и изделия из темноокрашенных горных пород с рассматриваемой фактурой (например, из гранита, габбро) запыляются, несколько теряют насыщенность цветового тона и осветляются.

Насыщенность цветового тона особенно заметно выделяется при полированной фактуре, но существенно снижается при лощеной или шлифованной. Светлота ахроматического природного камня может меняться, в зависимости от принятой фактуры, от 5 до 42%, то есть в 8 раз. Светлота поверхности увеличивается при переходе от зеркальной к кованой фактуре, но снижается при переходе от кованой к фактуре «скалы». Соответствие поверхности материалов из природного камня заданной фактуре устанавливают сопоставлением с образцом-эталоном размером не менее 250х400 мм, изготовленным камнеобрабатывающим предприятием и согласованным с заказчиком.

Текстура природных каменных материалов связана с неоднородностью их структуры, которая, в свою очередь, определяется условиями образования горной породы. Гораздо богаче текстура у изверженных излившихся, метаморфических и некоторых осадочных пород, обладающих средней твердостью. Характер рисунка таких природных каменных материалов может быть облачным или подчеркнуто контурным. В облачном рисунке основной цвет природного камня остается, меняются лишь оттенки. Контурный рисунок образуется после заполнения трещин в горных породах материалом, отличающимся по цвету от общей массы. Следует учитывать, что чем богаче, разнообразнее текстура природного камня, тем он менее долговечен.

Эстетические свойства природных каменных материалов связаны также с оценкой их размеров и возможных дефектов внешнего вида. Грани облицовочных плит из природного камня не должны отклоняться от прямого угла (просвет под угольником) более 1 мм на 1 м длины плиты. Отклонения от номинальных размеров плит не должны превышать, мм: по длине и ширине ±1 для плит до 600 мм и ±2 для плит свыше 600 мм; по толщине ±1 для плит от 8 до 15 мм, ±2 для плит из мрамора свыше 15 мм и ±3 для плит из других горных пород. Плиты с полированной, лощеной и тонкошлифованной фактурой в зависимости от качества лицевой поверхности разделяют на два класса. Плиты 1-го класса не должны иметь на лицевой поверхности видимых повреждений. У плит 2-го класса допускаются повреждения углов длиной по ребру не более 5 мм – не более 2 шт., скалы длиной не более 5 мм по ребрам периметра – не более 3 шт. для плит из твердых пород и не более 2 шт. для плит из пород средней твердости. Трещины не допускаются (на плитах из цветного мрамора может быть одна несквозная трещина тектонического происхождения шириной не более 0,05 мм и длиной ¹/₃ ширины плит).

Размеры, форму и дефекты внешнего вида материалов из природного камня контролируют с помощью металлических измерительных инструментов (линеек, угольников). Для профильных изделий используют шаблоны.

Области применения. В архитектурно-строительной практике природные каменные материалы используют как конструкционные (блоки для фундаментов, стен), конструкционно-отделочные (плиты для пола, лестница), отделочные (плиты, профильные изделия для наружной и внутренней облицовки). Блоки из природного камня для фундаментов и кладки наружных стен применяются, как правило, как местный строительный материал для двух-, трех- и пятиэтажных жилых, общественных и промышленных зданий. Например, из известняковых блоков построен дом в г. Судак в Крыму, из туфа – многочисленные здания в Ереване. Из природного камня возведены в США провинциальные школы, ратуши, машиностроительный завод в г. Литлтоне и др. В Греции, Италии, Турции и других странах для кладки стен применяются каменные блоки правильной формы, рваный бут. Блоки для кладки стен из песчаника светло-коричневые, желтые, красные; из известняка – серые, светло-серые, желтые, розовые; из туфа – красные, фиолетовые, розовые, светло-коричневые, оранжевые. Эти цвета, причем различных оттенков, оказывают большое влияние на эстетическую выразительность зданий и сооружений.

Отделочные материалы из природного камня для наружной и внутренней облицовки отличаются, прежде всего, более высокой долговечностью по сравнению с другими материалами аналогичного назначения. Это подтверждается многолетней эксплуатацией многочисленных зданий различного функционального назначения в нашей стране и за рубежом. Так, в России ХХ в. ведущим потребителем облицовочных материалов из природного камня являлась Москва. Многие жилые, общественные и административные здания, набережные р. Москвы, мосты облицованы материалами из гранита (месторождения Украины), мрамора (месторождения Урала, Грузии) и других горных пород различных месторождений. Музей изобразительных искусств имени А.С. Пушкина, главный корпус гуманитарных факультетов МГУ, хореографическое училище ГАБТ, библиотека Академии медицинских наук, жилые дома на Люсиновской улице, здание Государственной думы, гостиница «Россия», здание ЦУМА, Дом Правительства на Краснопресненской набережной – лишь отдельные примеры применения наружной облицовки из природных каменных материалов в столице России.

И в зарубежной архитектурно-строительной практике материалы из природного камня применяются в значительных количествах для наружной облицовки общественных и административных зданий. Весь огромный фасад здания Фонда Форда в Нью-Йорке облицован плитами из гранита с полированной фактурой.

Белый мрамор и детали из темного гранита украшают фасад Дома концертов и конгрессов «Финляндия» в Хельсинки. Плитами из песчаника со шлифованной фактурой и из полированного гранита облицовано здание банка «Сого» в г. Фукуока в Японии, а здание Верховного суда в Токио – горизонтальными плитами (полосами) из светлого гранита с бугристой фактурой. Вид фактуры, как уже было сказано, в значительной мере определяет эстетическую выразительность отделки. Отметим, что в современной японской архитектуре для облицовки зданий используют также гальку, булыжник, рваный камень, валуны.

Гораздо более значительны объемы применения в зарубежной практике, по сравнению с отечественной, природных каменных материалов для отделки интерьеров. До 90-х гг. ХХ в. материалы из природного камня в России использовали в основном для отделки интерьеров уникальных общественных, административных и некоторых промышленных зданий. Так, на отделку станций Московского метрополитена были израсходованы сотни тысяч квадратных метров мрамора, лабрадорита, известняка, кварцита и других горных пород. В облицовке интерьеров Дворца съездов в Кремле использован природный камень из 18 месторождений Урала, Украины, Армении и др. Интерьеры высотных зданий и олимпийских объектов в Москве, театров в столице и других городах, Братской и Саратовской гидроэлектростанций – далеко не полный перечень примеров применения природных каменных материалов. В настоящее время все ограничения на использование материалов из природного камня в интерьерах зданий и сооружений в нашей стране отменены. Обычно восприятие природных каменных материалов в интерьере связывают с ощущением торжественности, чистоты и даже холода (при лощеной и полированной фактурах). С экологической точки зрения горные породы, и, прежде всего твердые (гранит и др.), требуют предварительных исследований, позволяющих определить количество природных газообразных радионуклидов (радон), большая концентрация которых небезопасна для здоровья человека.

Литература: [1], с. 83-97; [2], с. 95-98; [7], с. 90-95; [9], с. 57-59.

Тема 4.1 Определение и краткие исторические сведения. Основы производства

Дата добавления: 2014-12-08