Характеристика и применение природных каменных изделий

По эксплуатационно-техническим свойствам

Классификация природных изделий

Классификация горных пород

В основу классификации горных пород положено их происхождение (генетическая классификация). Происхождение и условия образования горных пород предопределяют их химико-минералогический состав, кристаллическое строение и структуру.

По условиям образования горные породы подразделяются на три группы: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические.

2.1 Изверженные горные породы (таблица 5) представляют собой продукты отвердения расплавленной магмы, застывшей в недрах или на поверхности земли. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных горных пород с различным строением и свойствами.

Горные породы, образование которых происходило на большой глубине (их называют глубинные) под значительным давлением верхних слоев земной коры, остывали медленно и сравнительно равномерно. Глубинные породы массивны, плотны и имеют полнокристаллическую структуру, состоящую из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов. Они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглощением и большой теплопроводностью.

Горные породы, образовавшиеся вблизи земной поверхности – излившиеся – образовались на поверхности земли при отсутствии давления и при быстром охлаждении магмы имеют полнокристаллическую неравномерно-зернистую (порфировую) и неполнокристаллическую или стекловатую структуры. Излившиеся породы имеют химический и минералогический составы такие же, как и глубинные породы и обладают примерно теми же физико-механическими свойствами.

Основными породообразующими минералами изверженных пород являются: кварц и его разновидности, полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты.

По среднему содержанию кремнезема как самой важной составляющей делятся на группы: кислые, средние и основные

Таблица 5

Изверженные горные породы
глубинные:	излившиеся:
Кислые (SiO2 – 65…75 %)
гранит	кварцевый порфир обсидиан пемза
Средние (SiO2 – 52…65 %)
диорит сиенит	андезит, порфирит трахит
Основные (SiO2 – 40…52 %)
габбро лабрадорит	базальт, диабаз

2.2 Осадочные горные породы (таблица 6) обязаны своим происхождением экзогенным (внешним) процессам и являются продуктами разрушения и переотложения магматических и метаморфических горных пород, химического и механического выпадения осадков из воды, жизнедеятельности растений и животных. В зависимости от условий их образования осадочные породы делят на три основные группы.

Таблица 6

Осадочные горные породы
обломочные	Химические осадки	органогенные
рыхлые	сцементированные
валуны галька гравий песок суглинки (лессы) глины	конгломераты, брекчии гравелит   песчаники алевролит	гипс ангидрит плотные известняки известковые туфы	мел доломит известняки диатомиты опока

По минералогическому составу осадочные породы отличаются от магматических пород. Осадочные горные породы состоят:

1) из первичных минералов, образовавшихся при формировании самой осадочной породы (гипс, ангидрит, кальцит, кварц);

2) из продуктов химического разложения минералов магматической горной породы, послужившей материалом для осадочной породы (оливин переходит в змеевик и асбест, полевые шпаты и слюды в глинистые минералы – в каолинит, монтмориллонит, гидрослюду);

3) из неизмененных обломков различной степени измельчения первоначальной (магматической или метаморфической) горной породы или слагавших ее минералов.

В целом минералогический состав осадочных пород проще состава магматических пород.

Обломочные породы. Горные породы этой группы образуются в результате накопления обломочного материала различных пород.

По величине слагающих рыхлых обломков породы делятся на:

- грубообломочные (псефиты) – обломки крупнее 2 мм - валуны (окатанные обломки больше 200 мм в диаметре), галька (окатанные обломки от 10 до 200 мм), гравий (обломки от 2 до 10 мм);

- среднеобломочные (псаммиты) - обломки от 0,05 до 2 мм - различные пески;

- мелкообломочные (алевриты) - обломки от 0,005 до 0,05 мм – лессы (суглинки);

- глинистые породы (плиты) - в основном состоят из обломков меньше 0,01 мм, среди которых коллоидных частиц (размером меньше 0,005 мм) содержится больше 30 %.

К плотным (сцементированным) обломочным породам относятся: конгломерат (сцементированные окатанные обломки размером 10-200 мм); брекчия (сцементированные неокатанные обломки размером 10-200 мм); гравелит (сцементированный гравий размером 2…10 мм); песчаник - сцементированный песок различной крупности и разного минералогического состава; алевролит – сцементированный алеврит.

Породы химического происхождения - химические осадки, выпадающие из растворов, например из морской воды при жарком и сухом климате (гипс и ангидрид), натечные образования (сталактиты и сталагмиты) - различные скопления карбонатов и отложения минеральных источников – известковые туфы и т. д.

Органогенные породы - обязаны своим происхождением жизнедеятельности организмов и растений. Наиболее распространены карбонатные породы – различные известняки (коралловые, ракушечные и др.), мел, доломиты и смеси их с глинами – мергели; диатомит - кремнистые породы морского или озерного происхождения и опока.

2.3 Метаморфические горные породы – это существенно видоизмененные магматические или осадочные горные породы. Метаморфизм – преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих условиях может происходить кристаллизация минералов без их плавления. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества-растворы и газы, под действием которых породы любого состава и генезиса (магматические, осадочные или уже метаморфизированные) подвергаются изменениям.

Главными представителями метаморфических горных пород являются: гнейсы, сланцы, кварциты, мрамор. По внешнему виду и условиям залегания метаморфические породы занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами, по минералогическому составу они ближе к магматическим породам. Им присуща в основном кристаллическая структура и сланцевая текстура.

Гнейсы – по минералогическому составу похожи на граниты, диориты, сиениты, но отличаются от них тем, что минералы в гнейсах расположены не беспорядочно, как в магматических горных породах, а ориентированно. Характерным внешним признаком гнейсов является сланцеватость и полосчатое строение.

Сланцы - породы с резко выраженной сланцеватостью. Среди сланцев различают - слюдяные, глинистые, кровельные. Слюдяные сланцы в основном сложены слюдой и мелкими зернами кварца; глинистые сланцы состоят из глинистых частиц с мельчайшей кварцевой пылью. Глинистые сланцы являются начальной стадией метаморфизма глинистых пород. Кровельные сланцы – глинисто-слюдяные породы, занимающие промежуточное положение между глинистыми и слюдяными сланцами.

Кварциты– метаморфизированные пески и песчаники, состоящие почти целиком из перекристаллизованных зерен кварца.

Мрамор – продукт метаморфизма известняков и доломитов.

3 Разработка и обработка природных каменных материалов

Горные породы пригодные для изготовления каменных материалов называют полезными ископаемыми. Породы, сопровождающие полезные ископаемые и не используемые для изготовления каменных материалов, относят к пустой породе. Работы, связанные с добычей полезных ископаемых, называют горными работами. Разрабатываемые месторождения называют – карьером, выработанные пространства, образующиеся в процессе добычи полезного ископаемого, называют выработкой.

Разработка месторождений включает следующие последовательно выполняющие этапы: подготовка карьера, вскрытие месторождения (снятие плодородного слоя), вскрышные работы (удаление пустой породы), горные работы, рекультивация отработанного карьера. Существует открытый и подземный способы разработки месторождения.

Добычу природных каменных материалов осуществляют в основном открытым способом. Разработку горных пород в карьерах ведут экскаваторами, гидромеханическим способом, камнерезными машинами, взрывным способом и т.д. Выбор способа добычи природных каменных материалов зависит от вида горной породы, глубины и условий ее залегания, твердости и др.

Рыхлые горны породы - песок, гравий, глину добывают в открытых карьерах экскаваторами или гидромеханическим способом, массивные изверженные породы разрабатывают, как правило, взрывом, мягкие породы добывают путем распиловки массива камнерезной машиной на блоки определенных размеров и правильной геометрической формы.

По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на: пиленые (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.).

По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие основные виды:

- грубо обработанные каменные материалы (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий и песок);

- штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен)

- плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, пола и др.)

- профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т.д.);

- изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка и шашка для мощения);

- изделия для гидротехнического строительства.

Природным каменным материалам, при необходимости, придают ту или иную фактуру – различный характер поверхности, раскрывая декоративные возможности камня, учитывая при этом условия его службы:

Фактуры: бугристые (скальные с буграми и впадинами), рельефные (с правильным чередованием гребней и впадин), бороздчатые (с параллельными прерывистыми бороздками) точечные (шероховатые с точечными углублениями) получают ударной обработкой поверхности камня. Гладкие фактуры: пиленные, шлифованные, лощенные, полированные получают абразивной обработкой поверхности: распиливанием, фрезерованием, шлифовкой и полировкой.

Каменные природные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки. В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих конструкций, так как. они трудоемки, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но из-за положительных эксплуатационных и эстетических качеств продолжают широко применяться для облицовочных работ, устройства полов, дорожных покрытий и пр. Пористые природные материалы применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающей промышленности используются в качестве заполнителя для бетонов, изготовления других искусственных каменных изделий на минеральном и органическом вяжущем.

По показателям плотности природные камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/смимеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов. Тяжелые камни плотностью более 1,8 г/см(из гранита, сиенита, диорита и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства.

Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки (МПа): 10…100 для тяжелых камней и 0,4…20 для легких.

Морозостойкость. Марки по морозостойкости F10; F15; F25, F35 свойственны легким каменным материалам и F 15……F500 – тяжелым. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно-зернистой структурой. Камни с неравномерным порфировым строением быстрее растрескиваются при резких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов температурного расширения мелкокристаллической массы и крупных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их поры заполнены "горной влагой" и коэффициент насыщения пор водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются достаточно морозостойкими и более прочными.

Водостойкость камней характеризуется коэффициентом размягчения – 06…1.

Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного материала имеют значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.п. Мелкокристаллические материалы при истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц, полов и дорожных покрытий следует применять средне-зернистые материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины.

Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некоторые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс при 100 °С, известняк при 900 °С), другие (например, гранит, порфиры) растрескиваются при пожаре вследствие различного теплового расширения составляющих их минералов.

В зависимости от назначения и условий применения природные каменные материалы оценивают также по твердости, стойкости химическому воздействию внешней среды и т.п.

5.1 Грубообработанные каменные изделия

Бутовый камень (бут) - куски камня неправильной формы, размером не более 500 мм по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы), постелистый и лещадный. Бутовый камень получают разработкой местных осадочных и изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в отношении прочности, морозостойкости, водостойкости. Для получения рваного бута разработку пород осуществляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут получают из пород пластового залегания. Крупные отдельности такой породы, ограниченные трещинами, отделяют экскаватором с последующей развалкой кусков до требуемых размеров камнекольным инструментом.

Бутовый камень применяют для кладки фундаментов и стен подземных частей зданий, для кладки надземных стен неотапливаемых зданий. Из бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, его применяют для подпорных стенок. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень.

Щебень - куски камня размером 5-70 мм (для гидротехнического строительства до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и природный щебень, называемый дресвой.

Гравий – рыхлый материал с размерен зерен 5-70 мм. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных примесей (глины, пыли).

Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) с размерами 5-0,14 мм.

Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов. Предприятия-поставщики на эти материалы должны выдавать сертификат радиационно-гигиенической оценки о содержании естественных радионуклидов.

5.2 Камни и плиты

Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок. Основные размеры стеновых камней: 390x190x188; 490x240x188; 390x190x288 мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8-12 кирпичей. Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки. Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м³. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, морозостойкость - не менее 15.

Камни и плиты для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий получают из гранита и других изверженных пород, которым свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Камни могут быть плитообразной формы (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более).

Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников, туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора, ангидрида, гипса. Плиты толщиной 4…8 см применяемые для наружной облицовки зданий, 1,2…4 см - для внутренней. В настоящее время изготавливают тонкие плиты (5…10 мм),, стоимость которых в 2-4 раза ниже, чем обычных.

Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других выступающих частей сооружений изготовляют из атмосферостойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега.

Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и действия высоких температур. Для защиты от растворов кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют андезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и другие кислотостойкие породы.

Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства, соответствующие архитектуре интерьера.

Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие - до 40 см и низкие - до 30 см.

Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза и др.). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды).

Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных ему слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20-80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см.

Дата добавления: 2013-12-13