ТЕМА 2. Природные каменные материалы

            Природные каменные материалы получают из горных пород путем их механической обработки (пилением, колкой, дроблением, помолом, просеиванием). Они широко применяются в строительстве в качестве:

            –  отделочных материалов для облицовки зданий и сооружений;

            –  стеновых кладочных материалов;

            –  материалов для дорожного строительства;

            –  материалов для приготовления бетонов;

            –  сырья для получения минеральных вяжущих;

            –  активных минеральных добавок и пр. (табл. 2.2).

            Горные породы – природные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих в определенной обстановке внутри земной коры или на земной поверхности.

Горные породы по условиям образования (генезису) делятся на три большие группы (табл.2.1):

Рекомендуемые материалы

 магматические, осадочные, метаморфические.

  Свойства горных пород зависят, в первую очередь, от их строения (структуры), характеризующегося степенью их кристалличности, формой и размерами зерен, а также от минералогического состава.

            Горные породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или нескольких минералов (полиминеральные).

            Минералы – составные части земной коры (горной породы), образовавшиеся в результате геохимических процессов, имеющие постоянный химический состав, физические свойства, однородное строение.

            Строительные свойства горных пород в значительной степени зависят от минералогического состава. Среди большого разнообразия минералов только небольшая их часть (около 40-50 минералов) принимают основное участие в образовании горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

            В основу классификации минералов положен их химический состав. Выделены следующие классы минералов: оксиды (кварц); алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, глины); железисто-магнезиальные минералы (пироксены, амфиболы, оливин); карбонаты (кальцит, магнезит, доломит); сульфаты (гипс, ангидрит) и др.

                Каждый минерал кроме химического состава характеризуется определенными физическими свойствами, такими как: плотность, твердость, прочность, стойкость, блеск, спайность.

Преобладание в породе тех или других минералов отражается на строительных свойствах каменного материала.

2.1. Магматические породы

2.1.1. Классификация магматических пород

Магматические (изверженные) горные породы образовались в результате отвердевания при остывании расплавленной магмы, поднявшейся из глубины земли. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию магматических пород, различающихся по строению и свойствам. Магматические породы являются, в основном, полиминеральными.

Глубинные (интрузивные) образовались на значительных глубинах в условиях высоких температур и давления, медленного и равномерного остывания магмы. Вследствие благоприятных условий для кристаллизации минералов глубинные породы формируются с образованием полнокристаллической структуры, массивной текстуры. Они обладают большой плотностью,

Таблица 2.1.

Генетическая классификация горных пород

высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглащением и большой теплопроводностью. Например: гранит, сиенит, диорит, габбро, лабрадорит.

Излившиеся (эффузивные) образовались при быстром охлаждении магмы в условиях низких температур и давлений. Как правило, они имеют аморфную, полу- или скрытокристаллическую структуру, массивное строение (порфир, трахит, диабаз, базальт, порфирит), если излившиеся породы образовались в большой толще и сходны с глубинными или обломочное строение (пемза, туф, пепел), если образование их происходило в сравнительно тонком слое или на поверхности земли в результате вулканической деятельности.

2.1.2. Главные породообразующие минералы магматических пород

Большинство магматических пород содержат минералы, относящиеся к химическим соединениям трех типов: кремнезем, силикаты, алюмосиликаты.

Кварц – диоксид кремния (SiO₂) в кристаллической форме. Его плотность составляет 2650 кг/м³, твердость – 7, прочность при сжатии – до 2000 МПа, имеет высокую стойкость. При выветривании зерна кварца не разрушаются и образуют пески. Кварц обладает несовершенной спайностью, имеет различную окраску (бесцветную, желтую, молочную) и стеклянный блеск. При обычной температуре кварц не взаимодействует с кислотами (кроме плавиковой и горячей фосфорной) и щелочами. Плавится кварц при 1710^оС и при быстром охлаждении расплава дает кварцевое стекло.

Полевые шпаты – алюмосиликаты, образовавшиеся в результате взаимодействия оксидов кремния и алюминия с оксидами щелочных металлов. Имеют спайность по двум направлениям. Наиболее распространенными разновидностями полевых шпатов являются: ортоклаз (прямораскалывающийся) K₂O Al₂O₃ 6SiO₂ и плагиоклазы (косораскалывающиеся) в виде альбита Na₂O Al₂O₃ 6SiO₂ и анортита CaO Al₂O₃ 2SiO₂ и их смеси. Они имеют различную окраску от белого и серого до розового и темно-красного цветов, плотность – 2500...2760 кг/м³, твердость – 6, предел прочности при сжатии – до 170 МПа, температуру плавления – в пределах 1170...1550^оС. Стойкость полевых шпатов ниже, чем кварца. Легко выветриваются.

Слюды – минералы с весьма совершенной спайностью в одном направлении, которые способны расщепляться на тончайшие упругие пластинки. По химическому составу они представляют собой водные алюмосиликаты сложного состава. Мусковит – светлая алюминиевая слюда, биотит – железисто-магнезиальная слюда темного цвета. Плотность слюд составляет 2760...3200 кг/м³, твердость – 2...3, стойкость биотита меньше, чем мусковита. Присутствие слюд в породах затрудняет их шлифовку, полировку.

Железисто-магнезиальные минералы называют темно-окрашенными (от темно-зеленого до черного). По химическому составу это железисто-магнезиальные силикаты. Наиболее распространенные минералы этой группы: амфиболы, пироксены, оливин. Их плотность находится в пределах 3000-3600 кг/м³, твердость – 5,5-7,5, имеют высокую ударную вязкость, высокую стойкость.

2.1.3. Глубинные породы

Гранит и близкие к нему переходные породы (гранитоиды) состоят из кварца, полевых шпатов, слюды, иногда роговой обманки или авгита. Это самые распространенные из всех магматических пород. Цвет породы определяется цветом полевых шпатов. Плотность составляет 2600-2800 кг/м³, прочность при сжатии – 100-250 МПа. Водопоглощение – менее 1 %, имеют высокую морозостойкость – более 200 циклов, хорошую сопротивляемость истиранию, высокую теплопроводность. Граниты хорошо обрабатываются. Их используют для облицовки зданий и гидротехнических сооружений, в качестве плит для полов, ступеней, материалов для дорог, в качестве крупного заполнителя для бетонов, бутового камня и т.п.

Сиенит в отличие от гранита не содержит кварца, а состоит в основном из полевого шпата и темно-окрашенных минералов (до 15 %). Сиенит похож на гранит, но среднезернистой структуры и окраска темнее. Свойства сиенита близки к свойствам гранита.

Диорит примерно на 3/4 состоит из полевых шпатов и до 25 % содержит темноокрашенные минералы. Характеризуется мелко- и среднезернистым строением и серо-зеленым или темно-зеленым цветом. По строительным свойствам не уступает гранитам. Его применяют при облицовочных работах и в дорожном строительстве.

Габбро состоит из полевого шпата (до 50 %) и темноокрашенных минералов, представляет собой поликристаллическую породу от темно-серого до черного цвета. Его применяют в виде штучных изделий для облицовок, дорожных покрытий, щебня для бетонов.

2.1.4. Излившиеся породы

Порфиры – излившиеся горные породы, близкие по химическому составу к гранитам (кварцевый порфир), сиенитам (бескварцевый порфир), диоритам (порфирит) и характеризующиеся порфировой структурой. Порфиры менее устойчивы к выветриванию, слабее сопротивляются истиранию. Другие строительные свойства порфиров близки к свойствам глубинных пород.

Трахит – излившаяся порода, имеющая тот же минеральный состав, что и сиениты, но более пористая, так как отвердевала на поверхности земли. Его применяют в качестве стенового материала и щебня для бетонов.

Андезит - аналог диорита, но отличается от него порфировой структурой. Плотные андезиты применяют в виде кислотоупорных плит и щебня для кислотоупорного бетона.

Диабаз по минеральному составу аналогичен габбро, используют диабаз для изготовления дорожных материалов (брусчатки, шашки, бортового камня), щебня для бетона, а также в качестве сырья для каменного литья и кислотоупорных изделий.

Базальт, как и диабаз, является аналогом габбро. Характеризуется высокой прочностью – до 500 МПа. используется как дорожный материал, в качестве щебня, для каменного литья.

Вышеперечисленные породы имеют массивное строение. К пористым эффузивным породам относят пемзу, пеплы, туфы.

Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость – до 80 %, твердость - 6, истинная плотность – 2,0-2,5 г/см³, плотность – 0,3-0,9 г/см³. Пемза служит заполнителем в легких бетонах, гидравлической добавкой цементам и извести, в качестве абразивного материала.

Вулканический пепел – наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Вулканический пепел является активной минеральной добавкой для воздушной извести и портландцемента.

Вулканические туфы – горные породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и других, впоследствии уплотнения и цементирования. ементом туфов является вулканический пепел, глинистое или кремнистое вещество, иногда с примесью продуктов разложения пепла.

2.2. Осадочные горные породы

2.2.1. Классификация осадочных горных пород

Осадочные горные породы образуются при осаждении и накоплении минеральных и органических веществ в результате физических, химических и биологических процессов на дне водных бассейнов или на поверхности суши. Процесс их образования протекает по схеме: физическое или химическое выветривание ® механический или химический перенос ® отложение и накопление ® уплотнение и цементация. Общими признаками для осадочных пород являются многообразие их строения и структур, физико-механических свойств, залегание в виде пластов, слоистое строение. Осадочные породы, в свою очередь, по характеру образования и составу делятся на обломочные, хемогенные и органогенные. Часто эти же породы бывают мономинеральными.

Обломочные (механические отложения) – продукты механического разрушения (выветривания) каких-либо пород, часть из них подвергается в дальнейшем цементированию природными цементами, т.е. могут быть рыхлыми (глина, песок, гравий, галька, дресва) или сцементированными (конгломерат, брекчия, песчаник).

Хемогенные породы представляют собой осадки, образовавшиеся в результате выпадения минеральных веществ из водных бассейнов с последующим их уплотнением и цементацией. Например: гипс, ангидрит, магнезит, доломит.

Органогенные породы образуются в результате отмирания организмов и отложения на дне водоемов остатков животных и водорослей (известняк-ракушечник. известняк мшанковый, мел, диатомит, трепел, опока).

2.2.2. Главные породообразующие минералы осадочных пород

Осадочные породы чаще всего содержат минералы, относящиеся к следующим химическим соединениям: кремнезем, алюмосиликаты, карбонаты, сульфаты.

Кварц (кристаллический кремнезем) благодаря высокой стойкости при выветривании остается химически неизменным и входит в состав многих осадочных пород (песков, песчаников, глин и др.). В аморфном состоянии кремнезем в осадочных породах встречается в виде минерала опала.

Опал (SiO₂ n H₂O) менее плотен (r_m=1900...2500 кг/м³), прочен и стоек, чем кварц. Его используют при изготовлении минеральных смешанных вяжущих веществ.

Каолинит (Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O) – водный силикат алюминия, образуется при выветривании полевых шпатов и слюд. Цвет каолинита без примесей – белый, плотность – 2600 кг/м³, твердость – 1. Каолинит и другие водные алюмосиликаты типа Al₂O₃ nSiO₂ mH₂O являются основными при образовании глин.

Кальцит (CaCO₃) имеет совершенную спайность по трем направлениям, плотность – 2700 кг/м³, твердость – 3. Кальцит растворяется в кислотах, в обычной воде – мало (около 0,03 г/л), слагает различные виды известняков. Окраска белая, серая, иногда он прозрачен.

Магнезит (MgCO₃) имеет плотность 2900...3100 кг/м³, твердость – 3,5...4,5. Образует породу того же названия.

Доломит (CaCO₃ MgCO₃) по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд – 3,5...4,0, плотен (r_m=2900 кг/м³) и прочен. Цвет доломита от белого до темно-серого. Он образует породу того же названия или входит в состав известняков и других осадочных пород.

Гипс (СaSO₄ 2H₂O) – минерал кристаллического строения, его кристаллы имеют зернистое, столбчатое, пластинчатое, игольчатое или волокнистое строение. Он белого цвета, иногда окрашен примесями. Обладает спайностью в одном направлении. Плотность гипса 2300 кг/м³, твердость – 2, сравнительно легко растворяется в воде. Гипс образует породу того же названия.

Ангидрит (CaSO₄) – безводная разновидность гипса, образует породы одноименного названия. Плотность ангидрита – 2900...3000 кг/м³, твердость – 3,0...3,5.

2.2.3. Обломочные породы

            Рыхлые обломочные породы образуются в результате выветривания различных горных пород и сложены зернами устойчивых минералов и пород.

            Гравий и песок применяются в качестве заполнителей для бетонов и растворов. Гравий – это зерна с размерами от 5 мм до 70 мм, песок – от 0,16 мм до 5 мм.

            Глины – это тонкообломочные отложения, слагающиеся более чем на 50 % из частиц менее 0,01 мм. Глина является сырьем для производства керамических изделий, огнеупоров, при производстве цементов, при возведении земляных плотин (экранов).

            Сцементированные обломочные породы. Природные цементы могут быть карбонатными, кремнистыми, железистыми, глинистыми.

            Песчаник – сцементированные пески.

            Конгломерат – сцементированные крупные куски округлой формы.

            Брекчия – сцементированные крупные остроугольные куски – дресва.

            Песчаники применяют для кладки фундаментов, ступеней, тротуаров в виде щебня; обладающие декоративностью конгломераты и брекчии – в качестве облицовочного камня.

2.2.4. Хемогенные породы

            Известняки, магнезиты и доломиты относятся к карбонатным породам и состоят из минералов кальцита и магнезита.

            Мергели – горные породы, приблизительно поровну содержащие карбонатный и глинистый материалы. В мергелистых известняках преобладает карбонатный компонент, а в известковых мергелях глинистый.

            Карбонатные породы благодаря их широкому распространению, легкой добыче и обработке применяют в строительстве чаще, чем другие породы. Их используют:

            –  в виде бутового камня для фундаментов и стен;

            –  в виде плит и фасонных деталей для облицовки;

            –  в бетонах в качестве заполнителей;

            –  как сырье для получения вяжущих (цемента, извести, магнезиальных вяжущих);

                – при производстве огнеупорных материалов в стекольной, керамической, металлургической промышленности.

            Гипс и ангидрит относятся к сульфатным породам и слагаются одноименными минералами. Они служат сырьем для получения вяжущих веществ, а некоторые разновидности – для внутренней облицовки зданий.

            Бокситы –  аллитовые породы, характеризующиеся высоким содержанием глинозема (Аl₂О₃). Слагаются минералами гиббситом и диаспором (гидроксиды алюминия), имеют красную или бурую окраску из-за примесей гидроксида железа. Используют эти породы для производства алюминия, абразивов, огнеупоров, при производстве специальных видов цемента.

2.2.5. Органогенные породы

            К осадочным органогенным породам относятся биогенные кремнистые и карбонатные породы.

            Карбонатные породы:

            Органогенные известняки, мел  –  слагаются раковинами беспозвоночных или остатками известковых водорослей.

            Применяют их при производстве извести, портландцемента. Известняк, кроме того, – в виде стенового камня, а мел – в качестве белого пигмента, наполнителя.

            Кремнистые породы сложены осадочным кремнеземом (SiO₂)  –  опалом, кварцем, халцедоном:

            Диатомиты состоят из опаловых скелетов диатомовых водорослей.

            Радиоляриты сложены опаловыми скелетами радиолярий.

            Трепелы и опоки сложены мельчайшими шариками опала. Их пористость  –  60-70 %, плотность  –  350-950 кг/м³, теплопроводность  –  0,17-0,23 Вт/м.⁰С.

            Применяют кремнистые органогенные породы для производства теплоизоляционных материалов, в качестве активных минеральных добавок.

2.3. Метаморфические породы

            Метаморфизм  –  это видоизменение горных пород в недрах земной коры под влиянием высоких температур (без плавления), давлений, химически активных растворов и газов. В результате происходит перекристаллизация минералов, изменяется строение, при одноосном сжатии приобретается сланцеватая структура.

            Минералогический состав метаморфических пород чаще всего идентичен исходным породам. Следовательно, можно выделить:

            –  минералы, характерные для магматических пород (кварц, полевые шпаты, слюды, пироксены, оливин и др.);

            –  минералы, типичные для осадочных пород (кальцит, доломит);

            –  специфические метаморфические минералы.

            Гнейсы образовались в результате метаморфизма пород гранитного типа, сходны с ними по минералогическому составу. Из-за сланцеватого строения менее долговечны. Применяются в виде бутовых плит для фундаментов, мощения дорог, облицовки набережных.

            Глинистые сланцы образовались из глинистых пород, водостойки, легко раскалываются по плоскостям сланцеватости, r = 2,7-2,8 г/см³, R_сж = 50-240 МПа, применяются как кровельный материал.

            Мраморы представляют собой перекристаллизованный известняк. Имеют r до 2900 кг/м³, до 300 МПа, твердость  –  3, легко обрабатываются. Применяются для внутренней отделки стен, ступеней, подоконных плит, в качестве заполнителей для отделочных растворов, бетонов.

            Кварциты образовались при перекристаллизации песчаников. они характеризуются высокой огнеупорностью до 1770⁰С, R_сж до 400 МПа, твердостью  –  7. Применяются для наружной облицовки повышенной стойкости, как сырье для динасовых огнеупоров.

2.4. Материалы и изделия из природного камня.

2.4.1. Характеристика качества природного камня.

По плотности каменные материалы делят на:

- тяжелые (ρ>1800 кг/м³)

- легкие (ρ<1800 кг/м³)

По пределу прочности при сжатии (Мпа) делят на марки:

- от 0,4 до 20 – для легких материалов

- от 10 до 100 – для тяжелых

По морозостойкости F

- от 10 до 25 – для легких

- от 15 до 500 для тяжелых

По водостойкости на группы с коэффициентом размягчения

- не ниже 0,6; 0,75; 0,9 и 1

В зависимости назначения и условий применения природные материалы оценивают также по: твердости, истираемости и износу, химической стойкости, теплопроводности, огнестойкости.

2.4.2. Получение и обработка природных каменных материалов.

По способу изготовления природные каменные материалы делятся на:

- пиленые (стеновые блоки, облицовочные плиты, плиты для пола)

- колотые (камни дорожные)

- молотые (каменная мука)

По степени обработки камни можно разделить на:

- Грубо обработанные получают взрывным способом:

- Бутовый камень – куски неровной формы до 50 см, из него возводят плотины, перерабатывают в щебень и используют для кладки фундаментов.

- Щебень – размером 5-7 мм, гравий – зерна тех же размеров получаемый просеиванием пород; песок – зерна от 0,16 до 5 мм.

Штучные блоки и камни для кладки стен получают распиловкой

-Блоки – имеют объем более 0,1 м³ подразделяются на 3 типа

- Д – крупные при двурядной кладки стен; Б – для многорядной кладке; П – подоконные блоки, Камни стеновые – имеют основные размеры 390х190х188, 490х240х188, 390х190х288

Плиты и камни для облицовки изготавливают распиловкой с последующей обработкой поверхности.

- Плиты для наружной облицовки и полов (из плотных пород)

- Плиты для внутренней облицовки (мраморы, известняки, ангидрит)

Материалы и изделия для дорожного строительства получают обкалыванием и обтесыванием из гранита, базальта, диабаза и др.

- Бортовые камни

- Брусчатка и шашка

Жаростойкие и химические стойкие материалы и изделия применяют в виде камней, плит; щебня и песка (для бетонов и растворов); тонкомолотых порошков (для мастик, замазок, шпаклевок);

Жаростойкие - базальт, диабаз, ангидрит, туф. Кислотостойкие - гранит, сиенит, диорит, базальт, кварц. Щелочестойкие - известняки, доломиты, мрамор, магнезит. Области применения и меры защиты каменных материалов приведены в табл. 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2.

Применение горных пород

2.5. Меры защиты каменных материалов от выветривания:

Таблица 2.3.