Природные каменные материалы

 

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

1. Общие сведения, классификация горных пород.
2. Свойства природные каменные материалы
3. Основы технологии и применения.

 

1.Общие сведения, классификация горных пород

 

Горная порода – минеральная масса, состоящая из одного (мономинеральная) или нескольких (полиминеральная) минералов.

Минерал – вещества, примерно однородные по химическому составу и свойствам.

Классификация.

(в зависимости от условий образования).

Магматические породы.

 

Магма – высокотемпературный силикатный расплав, который в зависимости от режима охлаждения может образовывать:

1. плотные кристаллические породы, или если остывание происходило медленно и под большим давлением (глубинные). Гранит, сиенит, габбро, лабрадорит.
2. аморфные (стеклообразные) (базальт) или слабозакристаллизованные, а при наличии газа в магме – пористые породы (излившиеся). Вулканический пепел, песок, пемза, туф

 

Осадочные породы делятся на:

 

3) механические осадки (отложения) при образовании которых главную роль играли физико-механические процессы (воздействие воды, мороза, нагрева, охлаждения и т.д.) при этом, как правило, не меняется минеральный состав исходных пород. Песок, глина, гравий, песчаник, брекчия, конгломерат.

4) химические осадки, образовавшиеся в результате растворения первичных пород и последующей кристаллизации из водных растворов. Гипс, доломит, ангидрит.

5) органогенные осадки, которые образовались из остатков (скелетной части) живых организмов (ракушки, кораллы и т.д.) Известняк, диатомит, мел.

 

Метаморфические породы.

 

Горные породы, находящиеся  в земной коре, со временем могут  существенно изменять структуру  и свойства, не меняя принципиально  свой химический состав. Причина: воздействие давлений, повышенных температур, минерализованных вод.

6) гнейс (гранит)

7) мрамор, кварцит, сланец.

 

2. Свойства  природных каменных материалов

 

Представление о свойствах природных каменных материалов связано, как правило, с высокой прочностью, долговечностью.

Большое влияние на свойства оказывают способы добычи и обработки.

Эксплутационно-технические  свойства природных каменных материалов (ПКМ) определяются структурой горной породы. При ее оценке учитывают непосредственную связь с составом и свойствами породообразующих минералов.

Учитывая характеристики минералов, их количество, характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяет кристаллические, пегматитовые, стекловатые, порфировые и другие структуры пород.

При определении характера  кристаллической структуры устанавливают  крупность зерен (зависит от их размеров у твердых горных пород (гранит и др.)) выделяют:

• крупнозернистые ≥ 10мм
• среднезернистые 2-10мм
• мелкозернистые ≤ 2мм

У природных камней средней  твердости (мрамор и др.)

• крупнозернистые > 1мм
• среднезернистые 0,25-1,0мм
• мелкозернистые до 0,25мм

 

Характеристика  некоторых породообразующих минералов.

Минерал	Природный камень,в состав которого входит минерал.	Плотность, кг/м3	Твердостьпо шкале Мооса
Кварц SiO2	Гранит, гнейс	2650	7
Полевые шпаты: ортоклаз (K2O∙Al2O3∙6SiO2) Микроклин (калиевый полевой шпат),		2560	6-6,5
плагиоклаз – гранит, гипс (натриевый полевой  диорит, габбро и др. шпат)(Na2O*Al2O3∙*6SiO2)		2680	6
Слюды:(алюмосиликаты K,Na,Ca) Мусковит	Большинство изверженных  пород, кроме карбонатных	2900	2
Биотит		3000	2-3
Пироксен:(силикат Mg,Ca,Fe)авгит –Глиноземистый пироксен	Гранит, габбро, диабаз, базальт, андезит и т.д.	3300	5-6
Роговая обманка		3350	7

 

В зависимости от твердости природные  камни делятся на 3 группы:

Твердые (T=6-7) 2600-2800 кг/м³ гранит, 2500-2600 кг/м³ гипс, 2600-2700 кг/м³ диорит, сиенит, 3000-3100 кг/м³ габбро, 2700-2800 кг/м³ лабрадорит, 2900-3000 кг/м³ диабаз, 2900-3000 кг/м³ базальт

Средней твердости (Т=3-5) мрамор 2700-2800 кг/м³, конгломерат, брекчия 2400-2500 кг/м³, известняк 1100-2300 кг/м³, песчаник 2400-2500 кг/м³, вулканический туф 800-1100 кг/м³, известковый туф 2100-2300 кг/м³, сланцы 2200-2400 кг/м^3.

Мягкие (Т=1-2) гипсовые, тальковые породы.

Твердые, природные камни  обладают более высокой монолитностью  структуры по сравнению с материалами средней твердости и мягкими.

 

Пористость:

• гранит 0,45-1,5%
• диорит 1,4-1,5%
• габбро <0,22%
• диабаз 0,1-0,2%
• кварцевый порфир 1,47-3,68%
• базальт 0,4-1,5%
• мрамор 0,59-1%
• известняк 0,36-27%
• песчаник 2,8-3%
• туф 4,72-13,22%

 

Действие воды, замораживания, механических нагрузок в большой мере зависит от пористости.

Водопоглощение:

1) у твердых ПКМ  ≈ 0,01—5% (у гранита 0,1-1%, габбро 0,1-0,2%, у порфира 0,1-5%)

2) у пород средней  твердости В=0,1-40%

Морозостойкость ПКМ сравнительно высока. Твердые природные камни выдерживают 300 и более лабораторных циклов, диабаз, базальт 50 и более; мягкие 15 и более циклов.

Предел прочности

• Гранит R_сж=90-250 мПа
• Гнейс 100-300 мПа
• Диабаз 200-400 мПа
• Базальт 50-300 мПа

т. е. у твердых пород  от 90 до 400 мПа

• мрамор 60-200
• известняк 0,4-100
• песчаник 30-100
• туфы 15-60
• Гипсовый камень 15-30 мПа

Истираемость у ПКМ мала ≤0,5 г/см² у твердых ПКМ; 1-5 5 г/см² у ПКМ средней твердости.

Долговечность. При наружной облицовке наиболее долговечные мелкозернистые граниты (до 500 лет), крупнозернистый гранит; габбро, лабрадорит до 200 лет, белый мрамор, плотный песчаник, известняк 100 лет.

Сравнительно недолговечные цветные  мраморы, пористые известняки до 25 лет. В условиях внутренней облицовки долговечность практически не ограничена.

 

3.Основы технологии и применение в строительстве

 

Блоки камня, полученные в карьере, поступают на камнеобрабатывающие предприятия для переработки: камню придают требуемую форму, размер, фактуру лицевой поверхности.

В зависимости от характера используемого  инструмента различают 2 основных вида обработки – резанием и скалыванием.

Обработка резанием –  наиболее современный процесс обработки  камня этот – способ высокопроизводителен, дает меньше отходов и в наибольшей степени допускает автоматизацию производства. В зависимости от твердости камня используют стальные и твердосплавные резцы или алмазный и карборундовый инструменты специальной конструкции.

Придание камню требуемой  формы независимо от принятого способа  обработки выполняют в 2 стадии:

• сначала изделию придают форму, грубо приближающуюся к заданной;
• придание окончательной формы в соответствии с проектом.

Абразивную обработку  при получении требуемой фактуры  производят на шлифовально-полировальных  станках

Шлифование поверхности  камня позволяет достичь высокой степени ее гладкости, вплоть до зеркального блеска. Для этого используют войлочный круг, под который подают полировальный порошок.

К достижениям камнеобрабатывающей  промышленности относится получение  тонкопиленых плит природного камня  для облицовки t=4-6мм, внедрение ультразвуковой, плазменной, лазерной обработки материала, что позволяет увеличить выпуск строительных материалов при сниженной себестоимости и повышении качества.

Часть каменных материалов приобретает готовый вид непосредственно  на месторождении. Это песок, гравий, щебень, некоторые пиленые камни.

Применение.

Бутовый камень – крупные куски неправильной формы размером 150-500 мм, массой 20-40 кг, получаемые при разработке доломитов и песчаников (реже гранитов и других изверженных пород).

Камень, получаемый при взрывных работах, носит общее название рваного камня. Бутовый камень широко применяют для бутовой и бутобетонной кладки фундаментов, подземных стен, подпорных стен и т.д.

Валунный камень – крупные обломки, более 300мм, горных пород ледникового происхождения. Характеризуется окатанной, часто выветрившейся поверхностью. Используется для получения булыжного камня и щебня.

Булыжный камень – зерна горной породы размером до 300мм. Применяется для покрытия мостовых, дворов, откосов. Крупный булыжный камень можно применять как бут, мелкий перерабатывают на щебень.

Гравий – рыхлое скопление различно обкатанных обломков горных пород. Размер отдельных зерен 5-70мм. В зависимости от линейного размера частиц гравий подразделяют на фракции 5-10, 10-20, 20-40, 40-70мм.

Добывают гравий открытым способом, экскаваторами. При добыче со дна рек, озер, морей применяют  всасывающие механизмы.

Используют гравий в  качестве крупного заполнителя в  бетонах и в качестве фильтрующего механизма в водопроводных сооружениях.

Песок – рыхлая горная порода из зерен минералов и пород размером 0,14-5мм. Различают пески кварцевые, шпатовые и карбонатные.

Способы добычи аналогичны способам добычи гравия.

Применяют в качестве мелкого заполнителя в бетонах.

Кварцевые пески используют для стекольной промышленности

Плиты тесаные  и пиленые – изготавливаются из блоков, отделенных от массива пород. Процесс изготовления плит состоит из развалки монолитов, грубой обколки, тески. Монолит разделывают взрывным способом (пробуривают шпуры и взрывают в них небольшие заряды пороха). Часто развалку монолита ведут клиньями, далее следует заводская обработка. Применятся для облицовки.

Бортовые камни изготовляют обколкой и обтеской каменных пород.

Выпускают камни 3 основных видов:

Длина камней 70-200 см по h=30-40 см, b=10-20 см.

Верхнюю часть камней, выступающую над дорожным покрытием, обтесывают чисто, а нижнюю грубо.

Кровельные  плитки получают раскалыванием глинистого сланца. Плитки выпускают размером от 250*150 до 600*350 мм при толщине 4-8 мм. Прочность их при изгибе должна быть не ниже 15 мПа, они должны выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Брусчатка – колотые и тесаные бруски камня, по форме приближающиеся к параллелепипеду. h=10 см, h=11-13 см, h=14-16 см, b=12-15 см, l=15-25 см.

Прочность на сжатие не ниже 100 мПа.

Щебень – смесь угловатых обломков камня различной конфигурации размером 5-150 мм. Изготовляют щебень из горных пород различного качества, что определяет его марку.

Качество щебня устанавливают  по пределу прочности при сжатии исходной горной породы в насыщенном водой состоянии, а также по показателям ее истираемости и сопротивлении удару.

Получают щебень дроблением камня в дробилках разных конструкций.

По пределу прочности (кг/см²) из изверженных пород 1200, 1000, 800.

Осадочных 1200, 1000, 800, 600, 400, 300, 200.

Метаморфических 1200, 1000, 800, 600.