Природні кам’яні матеріали

Б

Твердість – здатність матеріалу опиратися проникненню в нього іншого, твердішого матеріалу (наприклад, інструмента). Від твердості залежить галузь застосування матеріалів, їхня поведінка в процесі експлуатації та збереження зовнішнього вигляду. За цією характеристикою оцінюють якість металів, пластичних мас, кераміки, деревини, кам’яних та інших матеріалів. Вона суттєво впливає на характер і трудомісткість обробки матеріалів.

Є кілька способів визначення твердості матеріалів: вдавлювання (кульки або наконечника – конуса, піраміди), дряпання (для мінералів, гірських порід тощо),прокол стандартною голкою тощо.

Найпростішим і найпоширенішим на практиці способом визначення твердості природних кам’яних матеріалів є дряпання їх іншими мінералами шкали твердості. Ця шкала (шкала Мооса) містить 10 мінералів-еталонів від самого м’якого (тальку – 1) до самого твердого (алмазу - 10). Порядковий номер мінералу шкали твердості відповідає його твердості і кожний наступний мінерал залишає риску (подряпину) на попередньому, а сам цим мінералом не прокреслюється.

Твердість інших матеріалів визначають різними способами, найчастіше на спеціальних приладах. Твердість металів, бетону, деревини та пластмас (окрім пористих) оцінюють, вдавлюючи в зразки сталеву кульку або алмазний конус. Величину твердості визначають або за глибиною вдавлювання кульки чи конуса, або за діаметром одержаного відбитка.

Кількісними характеристиками твердості є числа твердості, які зведені в різні шкали, що відповідають різним методам її вимірювання. Числа твердості вказані, наприклад, в таких одиницях: НВ (метод Бринелля),НV (метод Віккерса), HR (метод Роквелла), де Н – перша літера англійського слова Hardness – твердість.

Слід визнати, що твердість матеріалу не завжди відповідає його міцності. Наприклад, деревина, значно поступаючись бетону за твердістю, має однакову з ним міцність.

Стираність – властивість матеріалу зменшувати масу та об’єм під дією стираючих зусиль. Стираність залежить від структури матеріалів, твердості, міцності, вологості.

У лабораторних умовах стираність визначають на спеціальних машинах – колах стирання; як абразивний матеріал застосовують кварцовий пісок або наждак.

Кількісно стираність оцінюється втратою маси зразка, віднесеної до площі стирання:

С_т = (m₁ – m₂) / S, (2.6)

де m₁, m₂ – маса зразка відповідно до і після стирання, г (кг); S – площа поверхні стирання, см² (м²).

Стираність є важливим показником при виборі будівельних матеріалів для підлог,для сходин, доріг, тротуарів, аеродромних покриттів, труб тощо.

Опір удару (або ударна в’язкість) – це здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням і не руйнуватися від ударів. Оцінюють роботою, затраченою для ударного злому й віднесеною до робочої площі поперечного перерізу або об’єму зразка. Обчислюється за формулами:

а = А / S або а = А / V, (2.7)

де А –робота, Дж; S – площа, м²;V – об’єм зразка, м³.

Опір удару визначається за допомогою лабораторних копрів і умовно характеризується кількістю ударів, що передувають руйнуванню зразка. За цим показником матеріали поділяють на 4 групи: дуже крихкі (< 2 ударів), крихкі (2-5 ударів),в’язкі (5 –10 ударів), дуже в’язкі (понад 10 ударів).

При ударних навантаженнях напруги в матеріалі миттєво можуть досягати великих значень. Більшість матеріалів, міцних при статичних навантаженнях, руйнуються або дають тріщини при динамічних навантаженнях.

Опір удару є важливою властивістю для матеріалів, що застосовують для підлог, фундаментів машин (ковальські молоти), дорожніх та аеродромних покриттів, палей тощо.

Властивість матеріалу чинити опір при одночасній дії стирання та ударів називають зносостійкістю (опір зношуванню).Зношування визначають у спеціальних барабанах з кулями або без них за витратою маси (%) завантаженого в прилад матеріалу. Визначають переважно для дорожніх матеріалів, а також матеріалів для підлог, тобто для тих, які в процесі експлуатації зазнають одночасної дії стирання та ударів.

2.3. Хімічні властивості

Хімічні властивості характеризують здатність матеріалу до хімічних перетворень або стійкість його до впливу речовин, з якими він контактує. Наприклад, цемент при взаємодії з водою (виготовлення бетонної чи розчинової суміші) утворює міцний цементний камінь – головну складову частину бетону або розчину. У той же час під дією води, що містить сульфати, цементний камінь руйнується через корозію. Корозія – руйнування матеріалів або погіршення якості від спільної дії різних факторів і процесів (атмосферні, хімічні та електрохімічні процеси, біологічне руйнування, забрудненість тощо). Розрізняють корозію металів (у тому числі сталей, яку називають іржавленням), бетону, каменю тощо.

Кислотостійкість – здатність матеріалу чинити опір руйнівній дії розчинів кислот або сумішей. До кислотостійких матеріалів відносять вуглецеві сталі, чавуни, що містять понад 2,5% вуглецю, а також кварцит, граніт, кам’яне литво з базальту та діабазу, силікатне скло тощо. Кислотостійкість керамічних каналізаційних труб становить понад 92%, а шлакоситалів – до 99%.

Лугостійкість – здатність матеріалу чинити опір руйнівній дії водних розчинів лугів. До лугостійких матеріалів відносять спеціальні хромонікелеві сплави, вапняки, бетони на основі портландцементу, глиноземистого цементу тощо.

Токсичність –здатність матеріалу в процесі виготовлення й особливо експлуатації за певних умов виділяти шкідливі для здоров’я людини (отруйні) речовини. Деякі будівельні матеріали не дозволяється використовувати, наприклад, у житлових приміщеннях, дитячих закладах тощо. Зокрема це стосується ряду матеріалів, виготовлених на основі синтетичних смол (полімерів).

2.4. Технологічні властивості

Гвоздимість – здатність матеріалу утримувати цвяхи і шурупи за певних умов висмикування. Ця характеристика важлива для стінових матеріалів, застосовуваних у житловому будівництві. Висока гвоздимість притаманна деревині.

Подрібнюваність – здатність матеріалу дрібнитися від механічної дії ударних навантажень, утворюючи зернистий матеріал (щебінь, пісок). Подрібнення матеріалу можна також виконувати електричним струмом, термічним ударом, електрогідравлічним способом тощо.

Полірувальність – здатність матеріалу сприймати обробку абразивними тонкими матеріалами, утворюючи гладеньку блискучу поверхню. Найчастіше поліруванню піддають природні кам’яні матеріали (мармур, граніт, кварцит тощо), застосовувані для облицювання.

Формівність – здатність матеріалу набирати заданої форми внаслідок різних механічних впливів (пресування, вібрування, прокатування тощо). Залежить формівність від в’язкопластичних властивостей вихідних мас (розчинова і бетонна суміш, глиняне тісто, полімерні маси тощо).

Злежуваність – характерна для зернистих, особливо порошкоподібних мас, які під час тривалого зберігання схильні до грудкування, ущільнення, втрати сипкості (гіпсові в’яжучі, цементи тощо).

2.5. Довговічність і надійність

Довговічність – властивість виробів зберігати робочу здатність протягом усього періоду експлуатації (з необхідними перервами на ремонт), до граничного стану. Граничний стан визначається ступенем руйнування виробу, вимогами безпеки й економічної доцільності. Довговічність будівельних виробів оцінюють допустимим строком служби без втрати експлуатаційних якостей у конкретних кліматичних умовах та режимі експлуатації. Наприклад, для залізобетонних конструкцій нормами передбачено три ступеня довговічності: перший – не менш як 100 років, другий – не менш як 50 років, третій – не менш як 20 років.

Довговічність визначається сукупністю фізичних, механічних та хімічних властивостей матеріалу. Для визначення довговічності матеріал піддають випробуванням, близьким до натуральних, а також лабораторним випробуванням з натуральними безпосередньо в будівлях. Наприклад, стенди зі зразками розміщують на даху будівлі (“дахові” випробування для покрівельних та опоряджувальних матеріалів) або в зоні припливу та відпливу морської води (бетони для морських споруд) тощо.

Надійність являє собою узагальнену властивість,що характеризує виявлення всіх інших властивостей виробів у процесі експлуатації. Надійність складається з таких взаємопов’язаних властивостей, як довговічність, безвідмовність, ремонтопридатність і схоронність.

Безвідмовність –спроможність виробу зберігати працездатність при певних режимах та умовах експлуатації протягом деякого часу без примусових перерв на ремонт. Якщо система, елемент чи виріб повністю або частково витрачають працездатність, таку подію називають відмовою.

Ремонтопридатність – це властивість виробу сприймати ремонт і налагодження, внаслідок яких відновлюється й зберігається його технічна характеристика (якість виробу). Показниками ремонтопридатності є середній час,трудомісткість та вартість ремонту.

Зхоронність – властивість виробу зберігати обумовлені експлуатаційні показники протягом і після терміну зберігання й транспортування, установлених технічною документацією. Схоронність кількісно оцінюють періодом зберігання й транспортування до виникнення несправності.

3.1. Загальні відомості та класифікація

Природні кам’яні матеріали – це матеріали і вироби, що добувають із гірських порід у більшості випадків нескладною обробкою останніх (із збереженням їх фізико-механічних і технологічних властивостей).

Гірські породи – це мінеральні маси, що складають земну кору. Гірські породи відрізняються в значній мірі постійним хімічним і мінеральним складом, структурою, а також певними умовами покладів. Усі гірські породи складаються з мінералів.

Мінералами називають речовину, яка утворилася в земній корі внаслідок різних фізико-хімічних процесів. Вони складаються з хімічних елементів або хімічних сполук. Це однорідні тіла за своєю будовою, хімічним складом і фізичними властивостями.

У земній корі містяться всі хімічні елементи: О – до 47%; Si – до 26%; Al – 8%; Fe – 5%; åCa, Mg, Na і K менше як 11% від загальної маси гірських порід. Інші елементи становлять приблизно 3% за масою від складу земної кори.

У чистому вигляді хімічні елементи в земній корі зустрічаються дуже рідко – в основному у вигляді сполук з однорідним хімічним складом, структурою і властивостями. Це ми й називаємо мінералами. Більшість мінералів – тверді тіла. Іноді зустрічаються рідкі (самородна ртуть).

Якщо порода складається з одного мінералу, її називають мономінеральною (кварцові піски, хімічно чисті гіпс, магнезит), якщо з кількох мінералів – полімінеральною (граніт, базальт, порфіри).

Гірські породи – сировина для отримання більшості будівельних матеріалів (в’яжучих речовин, кераміки, скла), але вони утворюються при глибокій переробці гірських порід. Ці матеріали не можна віднести до природних кам’яних матеріалів.

А ось інший приклад. З граніту, вапняку-черепашнику (гірські породи) можна здобувати блоки, плити тощо, тобто надати виробу форму, а природа матеріалу – граніт, вапняк – не змінюється. Ці матеріали називають природними кам’яними.

Гірські породи і кам’яні матеріали з них класифікуються за такими ознаками: за походженням (геологічна, генетична класифікація); за середньою густиною (у сухому стані) поділяються на важкі (r_сер>1800 кг/м³), середні (r_сер=1500 - 1800 кг/м³) і легкі (r_сер=1000 - 1500 кг/м³); за границею міцності при стиску: 0,4; 0,7; 1,0; 1,5; 2,5; 3,5; 5,0; 7,5; 10; 12,5; 15, 30, 40, 50, 60, 80, 100 МПа. Камінь за границею міцності при стиску 0,4-10,0 МПа належить до низькоміцного (слабкого), при 12,5-40,0 МПа – до середньої міцності, при 50 МПа і вище – до високоміцного; за морозостійкістю: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 200, 300, 500 (циклів); за коефіцієнтом розм’якшення: на групи з К_р не менш як 0,6 і 0,75; 0,9 і 1,0; за видом використання: у природному стані або після спеціальної механічної обробки (тесання, шліфування тощо) для надання виробу заданої форми і зовнішнього вигляду.

3.2. Породоутворюючі мінерали

Залежно від поширення у природі всі мінерали поділяють на дві групи: - породоутворюючі і рудоутворюючі – мінерали, з яких головним чином складаються гірські породи і руди; - другорядні, вміст яких у гірських породах менший за 1%, і рідкісні, присутні надто рідко і в невеликих кількостях (коштовне каміння, самородні метали тощо).

Розглянемо найважливіші породоутворюючі мінерали (схема 1).

Група кремнезему. У найбільшій кількості в земній корі міститься вільний кремнійовий ангідрит, або кремнезем SiO₂. Модифікаціями оксиду кремнію є кварц, опал, халцедон.

Кварц – найбільш поширений мінерал земної кулі. У природі може бути як самостійна гірська порода (кварцові піски і стекла, гірський кришталь) або входить до складу полімінеральних гірських порід. Густина кристалічної модифікації r_сер = 2650 кг/м³, твердість 7, міцність на стиск близько 2000 МПа, температура плавлення 1723°С, дуже висока хімічна стійкість (стійкість до дії кислот, окрім плавикової).

Для кварцу характерні поліморфні перетворення. Так, при температурі 573°С кварц із b-модифікації переходить в a-модифікацію із збільшенням об’єму, при t>870°С починає переходити у тридиміт, також збільшуючись в об’ємі. Ці перетворення супроводжуються збільшенням об’єму стрибкоподібно (r_сер b-кварцу» 2650кг/м³, r_сер тридиміту» 2260кг/м³), внаслідок чого при нагріванні кварцемістких порід можуть виникати тріщини.

При швидкому охолодженні кварцового розплаву утворюється аморфний кремнезем – кварцове скло, середня густина якого дорівнює приблизно 2300кг/м³.

Халцедон – приховано кристалічний різновид кварцу, що містить 1-1,5% води і незначні домішки заліза та алюмінію. Його твердість становить 6,5-7,0, а середня густина - 2550-2600кг/м³.

Опал – мінерал, що являє собою псевдогідрогель складу SiO₂×nH₂O. Вміст води в опалі від 2 до 14%. Опал має аморфну структуру, тому може сполучатися з вапном при нормальній температурі.

Схема 1

ПОРОДОУТВОРЮЮЧІ МІНЕРАЛИ
¯	¯	¯	¯	¯
Група кремнезему	Група алюмосилікатів	Група залізистомагнезіальних силікатів	Група карбонатів	Група сульфатів
¯ Кварц Халцедон (агат, кремінь) Опал	¯ Польові шпати (ортоклаз, плагіоклаз-альбіт, анортит) Слюди (мусковіт, біотит, вермикуліт) Каолініт	¯ Піроксени (авгіт) Амфіболи (рогова обманка) Олівіни (хризотил-азбест)	¯ Кальцит Магнезит Доломіт	¯ Гіпс Ангідрит Барит

Група алюмосилікатів. Найбільш поширені мінерали цієї групи – польові шпати, слюди, каолініти, корунд тощо.

Друге місце після кремнезему за поширеністю в земній корі посідає глинозем Al₂O₃. Вільний глинозем у природі присутній у вигляді мінералу корунду та ін.

Корунд – один з найтвердіших мінералів. Його використовують для виробництва вогнетривких матеріалів.

Діаспор являє собою моногідрат глинозему Al₂O₃×Н₂О і містить 85% Al₂O₃. Діаспор входить до складу бокситів, котрі використовують як сировину для виробництва глиноземистого цементу.

Глинозем у природі присутній у вигляді хімічних сполук з кремнеземом та іншими оксидами, які називаються алюмосилікатами. Найпоширеніші в земній корі алюмосилікати – польові шпати.

Польові шпати – група силікатів, що містять більшість магматичних (граніт, габро тощо), метаморфічних і осадових порід. За складом - це сполуки кремнезему, глинозему з оксидами лужних металів Na₂O, K₂O, CaO. Залежно від кута спайності розрізняють ортоклаз або калійовий польовий шпат K₂O×Al₂O₃×6SiO₂ і плагіоклази, які поділяються на альбіт (натрійовий польовий шпат Na₂O×Al₂O₃×6SiO₂) і анортит (калійовий польовий шпат CaO×Al₂O₃×6SiO₂). Густина польових шпатів 2500-2760 кг/м³, твердість 6, міцність на стиск 120-170МПа (значно менша за міцність кварцу). Легко вивітрюється, тобто стійкість проти механічного і хімічного вивітрювання незначна. Польові шпати плавляться при температурах 1170-1550°С.

Слюди являють собою водні алюмосилікати складної і різноманітної будови, легко розшаровуються на тонкі, гнучкі і пружні пластинки. Твердість 2-3. Середня густина r_сер = 2760-3200 кг/м³. Легко вивітрюються. Види слюд: мусковіт (калійова), біотіт (залізистомагнезіальна), вермикуліт і гідрослюда золотисто-бурого кольору.

Каолініт – водний алюмосилікат Al₂O₃×2SiO2×2H₂O. Це продукт вивітрювання польових шпатів. Твердість 1, густина – 2600 кг/м^3.

Група залізистомагнезіальних силікатів. Найпоширеніші породоутворюючі мінерали цієї групи – піроксени (авгіт), амфіболи (рогова обманка), олівін (хризотил – азбест). Їх називають темнозабарвлені мінерали (колір зелений, бурий, чорний). Для них характерні твердість 5,5-7,5, висока густина 3000-4000 кг/м³, значна 300-400 МПа міцність на стиск. Мінерали цієї групи, окрім олівіну, мають високу ударну міцність і стійкість проти вивітрювання.

Група карбонатів. В осадових гірських породах поширеніші породоутворюючі карбонатні мінерали (карбонати). Найважливішими з них є кальцит, магнезит, доломіт.

Кальцит, або кристалічний вапнистий шпат СаСО₃ – один з найпоширеніших мінералів земної кори. Густина його 2700 кг/м³, твердість 3, має збільшену крихкість, досконалу спайність (у трьох площинах), погано розчиняється у воді (0,03 г/л). Але коли у воді розчинний діоксид вуглецю СО₂, розчинність його різко збільшується. Утворюється кислий вуглекислий кальцій Са (НСО₃)₂, розчинність якого у 100 разів більша, ніж кальциту. Під дією HCl “скипає”.

Магнезит MgCO₃ поширений у вигляді землистих, або щільних агрегатів, які мають прихованокристалічну будову. Близький за властивостями до кальциту, твердість 3,5, густина – 3000кг/м³. Взаємодіє з HCl у подрібненому стані при кип’ятінні.

Доломіт – подвійна вуглекисла сіль кальцію і магнію СаСО₃×MgCO₃, за основними властивостями займає проміжний стан між кальцитом і магнезитом, має скляний блиск, досконалу спайність. Зустрічається у вигляді щільних мармуровидних мас.

Група сульфатів. Сульфатні мінерали, як і карбонатні, поширені в осадових гірських породах. Найважливіші з них – гіпс і ангідрит.

Ангідрит – безводний сульфат кальцію CaSО₄. Зовні схожий на гіпс і мармур. Залягає шарами і жилками разом з гіпсом і кам’яною сіллю. Під дією води ангідрит поступово переходить у гіпс. Густина ангідриту 2800-3000 кг/м³, твердість 3,5, має скляний блиск, досконалу спайність, колір – білий, сірий або блакитнуватий.

Гіпс – двоводний сульфат кальцію CaSO₄×2H₂O, поширений у вигляді спільних зернистих, волокнистих і щільних порід разом з глиною, сланцями, кам’яною сіллю й ангідритом. Колір білий або забарвлений домішками (сірий, рожевий, жовтий, коричневий, бурий тощо). Має –скляний блиск, але може бути матовим. Густина 2300 кг/м³, твердість 1,5-2,0. Різновиди гіпсу – алебастр (дрібнокристалічна структура, колір сніжно-білий), селеніт (волокниста структура).

3.3. Гірські породи

Усі породи за походженням поділяються на три генетичні групи: магматичні, осадові, метаморфічні (схема 2).

Усі гірські породи – сировина для виробництва будівельних матеріалів взагалі. Для природних кам’яних матеріалів застосовуються не всі, а тільки ті, що мають певні властивості. Щоб розібратись в їх властивостях, розглянемо умови їх утворення.

Магматичні (глибинні) гірські породи утворилися в результаті вистигання магми на великій глибині, де мали місце високі температури і тиск (від верхніх шарів). Унаслідок повільного вистигання в’язкість розплавів змінювалась дуже повільно, і це створювало умови для збільшення кристалів, їх міцного зчеплення і утворення повнокристалічної структури.

Утворилися крупні й середні кристали з міцним (кристалізаційним) зв’язком. Масивні глибинні гірські породи характеризуються зернистою кристалічною будовою, що називається гранітною – від назви найпоширенішого представника цієї групи – граніту.

Ці породи міцні (R_ст = 100-300 МПа), морозостійкі, з малим (до 1%) водопоглинанням, великою теплопровідністю (до 3 Вт/м×°С). Вони застосовуються для різних виробів, що працюють у важких умовах (гідротехнічне будівництво, для зовнішнього облицювання, дорожнього покриття), для переробки на щебінь, бутовий камінь тощо.

Магматичні вилиті (ефузивні) гірські породи утворилися в результаті охолодження магми, що вилилась на поверхню Землі, або в приповерхових шарах земної кори. Магма охолоджувалась швидко, тиску майже не було. Частина вилитої магми вже містила кристали окремих мінералів, тому структура ефузивних гірських порід може бути аморфною, дрібнокристалічною або змішаною, де в основній масі розміщуються у вигляді вкраплень окремі крупніші кристали. Така будова називається порфіровою, а гірські породи – порфірами.

У цій групі гірських порід, менш щільних і менш міцних у порівнянні з глибинними, особливе місце займають базальт і діабаз, які стверділи в нижніх шарах вилитих порід. Тому їх будова і властивості збігаються з аналогічними показниками глибинних порід (r_сер = 2700-2900 кг/м³, R_ст = 300-450 МПа).

Уламкові пухкі породи утворилися в момент виверження вулканів. Маса викидається на значну висоту і миттю вистигає (вулканічний попіл, пемза). Цінність їх в тому, що кремнезем, який міститься в них, має аморфну структуру, отже його реакційна здатність значно вища, ніж у кристалічного.

Вулканічний попіл – порошкоподібні частки розміром від 0,1 до 2 мм (крупніші частки до 5 мм називаються пісками). Використовується як гідравлічна добавка у виробництві в’яжучих речовин, а також у виробництві теплоізоляційних матеріалів.

Пемза – пористий, ніздрюватий матеріал, використовується у виробництві легких бетонів, теплоізоляційних матеріалів, у тонкоподрібненому вигляді як активна мінеральна добавка до цементів.

Уламкові зцементовані гірські породи утворилися з пухких у результаті цементації природними цементами. Пласти (шари) попелу просочувалися водами з розчинами солей (цементом можуть бути вулканічний попіл, глиниста або кремениста речовина, інколи з домішками продуктів розкладання попелу), які скріплюють шари і утворюють монолітні матеріали. Туфи і траси використовуються як активні мінеральні добавки у виробництві цементів тощо. Наприклад, артикський туф (Вірменія) r_m = 750-1250 кг/м³, R_ст = 5-20 МПа, легко розпилюється. Застосовується як стіновий і облицювальний матеріал. Відходи при розпилюванні використовують як пористий заповнювач у легких бетонах.

Осадові (вторинні) гірські породи утворилися не з магми, а з готових вивержених порід (які руйнуються внаслідок вивітрювання – дія води, вітру, температур), при осаджуванні солей у висихаючих водоймищах (хімічні осадки), накопиченні залишків рослинного і тваринного світу (органогенні, або органічні осадки).

Уламкові (механічні) породи можуть бути пухкі або зцементовані. Пухкі в залежності від розміру зерен поділяються на великоуламкові (гравій і пісок розміром зерен більш як 2 мм), середньоуламкові (розмір зерен від 0,16 до 2 мм – пісок), дрібноуламкові (пилуваті частинки розміром від 0,01 до 0,16 мм) і тонкоуламкові (розмір менше як 0,01 мм – глини, лес).

Зцементовані уламкові породи утворилися при просочуванні крізь шари пухких порід природних розчинів солей. Так, пісковик – скальна порода, що складається із зерен кварцу, зцементованих глинистою, кремнеземною або вапняковою речовиною. Використовуються для мурування фундаментів, підпірних стінок, стін неопалювальних будинків, для переробки на щебінь.

Хімічні осадки поділяють на дві групи: сульфатні (гіпс, ангідрит) і карбонатні (вапнякові туфи, магнезит і доломіт).

Вапнякові туфи утворилися при виділенні СаСО₃ з кислого вуглекислого кальцію, розчинного у воді. Пористі вапняки застосовуються у виробництві вапна, щільні – для штучних каменів (мурування стін, зовнішнє облицювання будівель) і як заповнювач бетонів (щебінь, пісок).

Магнезит MgCO₃ і доломіт СаСО₃×MgCO₃ використовуються у виробництві вогнетривких матеріалів, магнезіальних цементів (каустичний магнезит, каустичний доломіт) тощо.

Гіпс CaSO₄×2H₂O використовується у виробництві гіпсових в’яжучих, цементів, гіпсових виробів. Ангідрит CaSO₄ безводяний гіпс, використовується там, де і гіпс, а також для внутрішнього облицювання приміщень.

Органічні осадки утворилися внаслідок життєдіяльності і відмирання організмів у прісних і морських водоймах.

Трепели (SiO2) містять аморфний кремнезем у вигляді наймілкіших кульок опалу. Застосовуються у виробництві теплоізоляційних матеріалів, а також як активна мінеральна добавка до цементів. Діатоміти застосовуються там, де і трепел. Опоки – цементовані кремнійовою речовиною трепели або діатоміти.

Карбонатні органогенні гірські породи можуть бути пористими і щільними – вапняки СаСО₃, вапняк-черепашник СаСО₃, крейда СаСО₃. Застосовуються у виробництві вапна, цементів, фарб і замазок (крейда), для виготовлення облицювальних плит, сходів, підвіконь, для переробки на щебінь тощо.

Метаморфічні (видозмінені) гірські породи утворилися в результаті дії високих температур і великого тиску не на магму, а на готові породи. Сформовані гірські породи піддаються різним діям, унаслідок чого з’являється новий вид гірської породи. Наприклад, гнейс (аналог граніту) має на відміну від граніту сланцювату будову і тому різні властивості в різних напрямах. Гнейс легше розколюється. Якість виробів з гнейсу трішки гірша, ніж з граніту. Застосовуються для мурування фундаментів, тротуарів, у виробництві облицювальних плит, для переробки на щебінь.

Глинисті сланці утворилися з ущільнених сланцюватих глин, застосовуються як найдовговічніший покрівельний матеріал – природний шифер.

Мармури утворюються із щільних вапняків або доломітів, легко розколюються на плити, шліфуються, поліруються. Це коштовний декоративний і облицювальний матеріал.

Кварцити утворилися з кремнійових пісковиків, застосовуються у виробництві облицювальних виробів, вогнетривів і таких, як бутовий камінь і щебінь.

3.4. Види матеріалів і виробів

Вимоги до показників основних властивостей природного каміння залежно від його призначення та умов експлуатації наведені в державних стандартах і будівельних нормах і правилах.

Усі матеріали з гірських порід поділяють на дві категорії:

1) використовувані у первісному (початковому) вигляді: пісок, гравій, булижний камінь;

2) використовувані після певної обробки (бутовий камінь, щебінь, облицювальні плитки, блоки кам’яні, матеріали для доріг – бортовий або бордюрний камені, шашка, брущатка, тротуарні плити; каміння для гідротехнічних споруд; тесані плити, цегла, бруски, фасонні вироби – хімічно стійкі матеріали і вироби).

Розглянемо деякі види цих матеріалів.

Бутовий камінь – це великі куски масою від 15 до 40 кг, неправильної геометричної форми, які добувають при розробці вапняків, доломітів і пісковиків з подальшим відсортуванням дрібних фракцій. У камені не повинно бути глинистих домішок, тріщин і розшарувань. За формою бутовий камінь поділяють на постілистий (плитчастий) і наближуваний за формою до куба (рваний бут). Для мурування краще застосовувати перший тип, тоді мурування виходить правильним і міцним.

Бутовий камінь використовують для різних гідротехнічних споруд, бутової і бутобетонної кладки, фундаментів і стін неопалювальних будинків, колодязів водопровідної мережі і водостоків, каналізаційних каналів тощо. При подрібнення бутового каменю здобувають щебінь, що використовується як заповнювач для бетону.

Булижний камінь – це обкачані уламки гірських порід розміром 120-130 мм. Його застосовують для укріплення укосів земляних споруд при будівництві дамб, для переробки на бут і щебінь.

Камені правильної форми, плити і фасонні вироби виготовляють з блоків, відділених від масиву гірської породи. Якщо породи залягають неглибоко або виходять на поверхню землі, їх добувають відкритим способом – у кар’єрах. У разі залягання порід на значній глибині використовують підземний спосіб розробки – у каменоломнях або шахтах.

Видобування блоків у кар’єрах проводиться в одну або дві стадії. При одностадійному добуванні блоки відділяють безпосередньо від масиву гірської породи, при двостадійному – від масиву відділяють моноліт (суцільну брилу), яку потім розподіляють на блоки. Гірські породи розробляють на камені і плити на заводах, розташованих в основному (на 90%) поряд з місцями розробки, на спеціальних верстатах пилами, армованими зубцями з твердих сплавів.

Камені правильної форми для стін і перегородок опалюваних будинків виготовляють з вапняку-черепашнику, туфу та інших м’яких порід. Вони повинні мати прошарків глини і мергелю, а також слідів вивітрювання; після 50 циклів поперемінного насичування водою і висихання у каменів не повинно бути тріщин і відшарувань. Коефіцієнт розм’якшення каменів, призначених для стін, має бути не меншим за 0,6, а для мурування фасадів – не нижче за 0,75.

Основний вид продукції каменеобробних підприємств – це облицювальні плити для зовнішнього і внутрішнього облицювання будівель і споруд. Для зовнішнього облицювання застосовують камені і плити з граніту, сієніту, діориту, габро, лабродориту, кварциту, а також щільні вапняки, доломіти і пісковики. Для внутрішнього облицювання використовують мармур, гіпс, ангідрит. Крім облицювальних, є також плити для підвіконня, сходинок та інші архітектурно-будівельні вироби.

Покрівельні плити виготовляють з глинистого сланцю. Гірські породи використовують також як сировину для виробництва будівельних матеріалів: портландцементу (вапняк, глина, мергель, крейда), вапна (вапняки), будівельного гіпсу (природний двоводний гіпс), штучних кам’яних матеріалів (глина, пісок). З деяких особливо легких порід (діатоміт, трепел, опоки та ін.) виготовляють неорганічні теплоізоляційні матеріали.

3.5. Заходи захисту виробів від вивітрювання

Для захисту споруд з природних матеріалів від вивітрювання застосовують конструкційні або хімічні способи, які зменшують доступ води всередину каменю.

Конструкційні заходи підвищення довговічності кам’яних матеріалів – це влаштування доброго стоку води і створення гладкої поверхні (шліфуванням, поліруванням).

Хімічний захист полягає в просочуванні простих кам’яних матеріалів на певну глибину спеціальними сполуками. У результаті хімічної реакції цих сполук з речовиною каменю поверхня його стає щільною і гладкою, що збільшує стійкість матеріалів проти вивітрювання (флюатування). Цей спосіб полягає в тому, що поверхню карбонатних порід просочують розчинами солей кремніфтористоводневої кислоти (флюатами), які реагуючи з вуглекислим кальцієм, утворюють нерозчинні у воді продукти – кремнезем і фтористі солі, що закупорюють пори в поверхневому шарі каменю.

Некарбонатні породи спочатку просочують аванфлюатом (розчином кальцієвої солі), а потім флюатом.

Можна також просочувати пористі кам’яні матеріали полімерами (туфополімер).

Схема 2

Г І Р С Ь К І П О Р О Д И

¯

¯

¯

Магматичні

Осадові

Метаморфічні (видозмінені)

¯

¯

¯

¯

¯

¯

¯

масивні

уламкові

уламкові (механічні осадки)

хімічні

органічні осадки (органогенні)

з магматичних

З осадових

глибинні (інтрузивні)

вилиті (ефузивні)

пухкі

зцементовані

пухкі

зцементовані

¯ граніт

¯ порфір (кварцовий порфір, безкварцовий порфір, порфірит)

¯ вулканічний попіл

¯ вулканічні туфи

¯ глина

¯ пісковик

¯ магнезит

¯ крейда

¯ гнейс

¯ мармур

сієніт

трахіт

вулканічний пісок

вулканічні траси

пісок

конгломерат

доломіт

вапняк-черепашник

кварцит

діорит

андезит

пемза

туфова лава

лес

брекчія

гіпс

трепел

глинисті сланці

габро

базальт

гравій

ангідрит

діатоміт

лабрадорит

діабаз

вапнякові туфи

опока

спонголіт

Дата добавления: 2014-01-07