Природные каменные материалы

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО«АТОМНЫЙ ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования

«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ»(НОУ ДПО «ЦИПК»)

Санкт-Петербургский филиал

Ю. Г. Мещеряков, С. В. Федоров

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Методическое пособие

Для слушателей института повышения квалификациипо специальностям:

«Промышленное и гражданское строительство»,«Строительство в атомной отрасли»

Санкт-Петербург2011

УДК 691 (075.8)

Мещеряков Ю. Г., Федоров С. В. Природные каменные материалы : Учебное пособие / Ю. Г. Мещеряков, С. В. Федоров; НОУ ДПО «ЦИПК». – СПб., 2011. – 23 с.: ил.

�

1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природный камень играл особую роль в истории материальной куль-туры как прочный и долговечный материал. Поэтому культурное на-следие многих стран и народов, применявших камень в быту, искусстве и строительстве, дошло до нас хорошо сохранившимся. Широкое при-менение камня в строительстве обусловлено доступностью сырья, высо-кой прочностью, сравнительной легкостью обработки ударом, высокой декоративностью, разнообразием свойств камня. Остатки сооружений из природного камня обнаружены практически повсеместно. Это пирамиды Египта и Тепочтитлана, сооружения Баальбека, Великая Китайская стена и многие другие. На территории России природный камень применялся в строительстве монастырей и храмов (храм Покрова на Нерли и другие).

Источником, местом добычи камня является наружная оболочка Земли (геосфера), называемая также земной корой или литосферой, ко-торая состоит из минералов и горных пород.

Минералами называют химические элементы или химические со-единения, образовавшиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре.

Минералы имеют две характерных особенности.Однородный химический состав и определенные, характерные для данного минерала свойства.Минералы в земной коре образуются в результате природных процессов, в отличие от синтетических минералов, полученных в лабораторных и промышленных условиях.

Изучение более 7000 минералов, из которых сравнительно небольшая группа (30-50 минералов) образуют горные породы, широко применяю-щиеся в строительстве. Эти минералы являются основной частью массы горной породы, определяют ее название и физико-химические свойства и называются главными или породообразующими минералы, содержащи-еся в горной породе в сравнительно небольшом количестве называются второстепенными или примесями.

Свойства минералов определяют технические свойства горных пород и являются диагностическими признаками.

Кристаллографическое очертание.В кристаллических твердых телах частицы образуют пространствен-

ную структуру. Строение кристалла является индивидуальной особеннос-тью минералов. Изучение кристаллической структуры является надеж-ным способом определения минералов. Исключением является явления изоморфизма и полиморфизма.

1.

2.

�

Спайность – способность минералов раскалываться при ударе по опре-деленным направлениям с образованием в плоскости раскола гладкой, блестящей поверхности.

Раскалывание кристаллов по плоскостям спайности обусловлено плос-кими сетками структуры кристалла, связи между которыми ослаблены. Различают три типа спайности:

Весьма совершенную (слюда), когда от кристалла можно отделить тонкие пластинки;Совершенную (полевой шпат, кальцит), когда образовавшиеся об-ломки ограничены гладкими поверхностями.Несовершенную (кварц), когда образуется в целом неровная по-верхность раскола с отдельными гладкими участками.

К числу индивидуальных свойств минералов относятся также твер-дость (определяются по минералогической шкале), температура плавле-ния, ковкость, магнитность, радиоактивность и другие.

Цвет минералов может быть различным. По цвету минералы подраз-деляются на светлые (кварц, кальцит) и темные (биотит, оливин).

Блеск минералов может быть металлическим (пирит), стеклянным (горный хрусталь).

Излом – характер поверхности при раскаливании. Различают излом раковистый (кварц), землистый (мел), зернистый (мрамор) и другие.

Горными породами называют минеральные агрегаты, сложенные из одного или нескольких минералов и занимающие значительные участки земной коры.

Если горная порода состоит преимущественно из одного минерала, она называется мономинеральной. Горные породы, состоящие из двух и более минералов называются полиминеральными.

Основным признаком, отличающим мономинеральную породу от со-ответствующего минерала является то, что она занимает определенный объем в земной коре, т.е. является геологическим телом. Кроме того, эти породы могут содержать некоторое количество примесей.

Физико-механические свойства горных пород и, следовательно, область их применения в строительстве определяется следующими показателями:

Минералогическим составом и содержанием минералов;Строением горных пород (структурой и текстурой), характером сложения породы из минералов и минеральных агрегатов;Отдельностью – формой залегания в литосфере.

Структура горной породы – особенности строения, обусловленные степенью закристаллизованности, размерами, формой и способом сраста-ния зерен.

1.

2.

3.

1.2.

3.

Природные каменные материалы

�

Структура горной породы, также как и текстура определяются усло-виями ее образования.

Различают следующие типы структуры:Полнокристаллическая, зернистая – структура глубинных маг-матических и метаморфических горных пород (гранит, габбро, мрамор и другие).Полукристаллическая – структура излившихся магматических горных пород. Кроме кристаллических фаз порода содержит вул-каническое стекло (диабаз, базальт и другие).Стекловатая – структура излившихся обломочных горных пород (обсидиан, перлит и другие).

В зависимости от максимального размера зерна различают следую-щие структуры:

Крупнозернистая, размер зерна превышает 5 мм;Среднезернистая, размер зерна 2-5мм;Мелкозернистая, с размерами зерен от 0,2 до 2 мм.

С уменьшением максимального и среднего размера в структуре по-вышается термостойкость и долговечность горной породы. Например, мелкозернистый гранит относится к весьма долговечным горным поро-дам, а крупнозернистый – к долговечным (ГОСТ 9479).

По относительной величине кристаллов различают структуры равно-мерно- и неравномернозернистые (порфировые и порфировидные).

Порфировая структура характерна для магматических излившихся горных пород (кварцевый порфир, порфирит и др.), когда полимине-ральная порода содержит отдельные группы кристаллы тугоплавных минералов.

Порфировидной называют зернисто-кристаллическую структуру. Породы с порфировидной структурой содержат отдельные крупные вкрапленники.

Текстура горной породы – особенности строения, обусловленные ориентировкой и пространственным расположением минеральных аг-регатов. Различают следующие типы текстур:

Однородная – характеризуется равномерным распределением составных частей (минералов);Неоднородная – порода состоит из участков и слоев различного минералогического состава;Гнейсовидная – кристаллы имеют преимущественную ориенти-ровку, деформирован в одном направлении (гнейс, сланцы);Плотная (гранит, габбро);Пористая (вулканический туф, трепел и другие)

1.

2.

3.

1.2.3.

1.

2.

3.

4.5.

� Природные каменные материалы

Отдельность – монолитный участок в массиве горной породы. Природные массивы горных пород обычно содержат трещины, которые разделяют массив на участки разной формы и размеров. В зависимости от условий образования (первичные трещины) и существования породы в литосфере (вторичные трещины), трещины часто подчиняются опре-деленному закону.

Различают следующие виды отдельности: плитообразную, кубичес-кую, столбчатую, шаровую и другие. Отдельность обличает добычу (от-деление от массива), но ограничивает максимальный размер штучных камней и изделий.

Горные породы классифицируются по происхождению (генезису, условием образования в литосфере). Ниже приведена упрощенная генети-ческая классификация, содержащая только те горные породы, которые ши-роко применяются в строительстве. В соответствии с генетической класси-фикацией горные породы подразделяются на три группы – изверженные (магматические), осадочные и видоизмененные (метаморфические).

1.1. Изверженные (магматические) горные породыМагматические горные породы образовались при извержении, охлаж-

дении и отвердевании магмы (алюмосиликатного расплава), образовав-шегося в мантии или литосфере.

При охлаждении магмы внутри земной коры образуются массивные глубинные или интрузивные горные породы.

Если магма изливается на поверхность литосферы, то образуются массивные излившиеся (эффузивные) горные породы.

При извержении вулканов, когда магма выбрасывается в атмосферу, образуются обломочные, (рыхлые и цементированные) горные породы.

Классификация магматических горных пород по генезису приведена ниже.

Минералы, образующие магматические горные породы подразделя-ются на 4 группы.

Кварц – кристаллический SiO₂. Крупные кристаллы кварца называют горным хрусталем. Истинная плотность – 2,65 г/см³, твердость по мине-ралогической шкале – 7, температура плавления – 1728 °С. При темпера-туре 573 °С.

Кварц переходит в α кварц (полиморфный переход с увеличением объема на 1,5%). Кварц относится к прочным и химически стойким ми-нералам. При разрушении полиминеральных горных пород образует кварцевые пески.


�


Кварц – кристаллический SiO₂. Крупные кристаллы кварца называют горным хрусталем. Истинная плотность – 2,65 г/см³, твердость по мине-ралогической шкале – 7, температура плавления – 1728 °С. При темпера-туре 573 °С.

Кварц переходит в α кварц (полиморфный переход с увеличением объема на 1,5%). Кварц относится к прочным и химически стойким ми-нералам. При разрушении полиминеральных горных пород образует кварцевые пески.

Полевые шпаты – алюмосиликата камня, натрия и кальция. По со-ставу и свойствам разделяют на две группы:

Ортоклаз (прямо-раскалывающийся) – K₂O Al2O₃ 6SiO₂ . Обладает совершенной спайностью, угол между плоскостями спайности 90 °С. Истинная плотность – 2,56 г/см³, твердость по минералоги-ческой шкале – 6.Плагиоклазы: Альбит – Na₂O Al₂O₃ 6SiO₂ ; Апортит – CaO Al₂O₃ 2SiO₂ .

1.

2.

� Природные каменные материалы

Альбит и апортит образуют изоморфные смеси различного состава, называемые олигоклазом, андезином и лабрадором.

Истинная плотность изменяется в пределах от 2,62 до 2,76 г/см³, твер-дость – 6.

При разрушении (выветривании) превращаются в водные алюмоси-ликаты – породообразующие минералы глин.

Слюды – водные алюмосиликаты камня, магния и железа. Обладают весьма совершенной спайностью, слюды можно разделять на тонкие пластинки.

Мусковит, KАlS (OH)₂ [AlSi₃O₁₀] – прозрачная тугоплавная слюда, истинная плоскость – 2,76 – 3,00 г/см³.

Биотит – K(Mg,Fe)₃ (OH,F)₂ [AlSi₃O₁₀] магнезиально-железистая слю-да, черного цвета, истинная плотность – 2,80-3,20 г/см³.

Вермикулит образуется путем окисления и гидратации биотита, со-держит химически-связанную воду. Вермикулитовый концентрат исполь-зуется в производстве теплоизоляционных материалов.

Флогопит – минеральная слюда:KMg₃ (OH,F)₂ [Si2AlO₁₀]Истинная плотность – 2,70-2,85 г/см³, твердость 2,0-2,5 при выветри-

вании превращается в вермикулит.Слюды понижают прочность и долговечность полиминеральных гор-

ных пород и затрудняют их обработку (шлифования, полировку).Темноокрашенные минералы – железисто-минеральные силикаты (соли

поликремневых кислот) представлены тремя группами минералов – ам-фиболами, пироксенами и оливином. Характерным представителем ам-фиболов является роговая обманка, пироксенов-авгит. Минералы этой группы имеют характерную темно-серую и черную окраски, истинная плотность изменяется в пределах от 3,00 до 3,60 г/см², твердость – 5-6. Минералы этой группы отличаются высокой прочностью и химической стойкостью.

Массивные изверженные горные породыГлубинные (интрузивные) породы – гранит, сиенит, диорит и габбро.

Полиминеральные горные породы, структура – зернисто-кристалличес-кая, текстура – плотная.

Гранит, содержит 20-40% кварца, 40-60% полевого шпата (ортокла-за) и 5-20% слюды (мусковита или биотита) или роговой обманки (реже авгита). Цвет гранита определяется преимущественно цветом полевого шпата и может быть серым, красным.

Сиенит состоит из ортоклаза и темноокрашенного минерала (рого-вой обманки). Цвет сиенита – серый и красноватый, также определяется полевым шпатом.

�

Диорит содержит полевой шпат, плагиоклаз и темноокрашенные минералы (агат, роговую обманку). Цвет изменяется от серо-зеленого до темно-зеленого.

Габбро состоит из плагиоклаза (анортита) и темноокрашенных мине-ралов (авгита, оливина). Цвет изменяется от серого до черного.

Разновидность габбро является лабрадорит, крупнозернистая порода, содержащая кристаллы полевого шпата – лабрадора, которые отражают синий, голубой и зеленый цвет (иризация). Лабрадорит является ценным отделочным материалом.

Глубинные магматические породы сходны по своим физическим свойствам.

Истинная плотность глубинных пород изменяется в пределах от 2,60 (гранит) до 3,60 г/см³ (габбро) темноокрашенных материалов.

Средняя плотность незначительно отличается от истинной, т. к. порода имеет плотную текстуру, пористость не превышает 5% и водопоглощение 1,5%. Вследствие в такой плотности породы имеют высокую теплопро-водность (2,5-3,0 Вт/(м ·°С) и морозостойкость (выдерживают 200 циклов и более при испытании, Мр 3200 и выше).

Предел прочности при сжатии (R СЖ) изменяется в пределах от 50 до 500 МПа. R СЖ повышается с увеличением содержания в породе темно-окрашенных минералов.

Предел прочности при изгибе (R ИЗГ) составляет (1/40-1/60) R СЖ, поэтому глубинные породы нецелесообразно применять в конструкциях, работающих на растяжение и растяжение при изгибе.

Большинство глубинных пород обладает высоким сопротивлением истиранию и износу.

Излившиеся (эффузивные) магматические породыПо условиям образования глубинные и излившиеся горные породы

могут иметь близкий химический (а иногда и минеральный) состав, но отличаться по структуре (иногда и текстуре). Такие породы называют аналогами. Каждая глубинная порода имеет двух излившихся аналогов – нового и древнего. В отличие от глубинных пород излившиеся имеют неравномерно-зернистую порфировую структуру, текстура может быть как плотной, так и пористой.

Кварцевый порфир и липарит по химическому и минеральному со-ставам являются аналогами гранита. Цвет пород изменяется от серого до красного.

Ортоклазовый порфир и липарит – аналоги сиенита. Цвет – серый, зеленовато-серый, красный.

Порфирит и андезит по химическому и минеральному составам ана-логичен диориту. Цвет изменяется от светло- до темно-серого.

10 Природные каменные материалы

Диабаз и базальт являются аналогами габбро. Цвет темно-серый и чер-ный, вследствие высокого содержания темноокрашенных минералов.

Перлит, обсидиан и пехштейн – горные породы, состоящие преиму-щественно из вулканического стекла и содержащие воду. Различаются по содержанию воды и текстуре. Истинная плотность перлита – 2,10-2,30 г/см³, средняя плотность – 1,20-2,30 г/см³, пористость изменяется в пределах от 0,5 до 50%. Вода в перлите находится в трех состояниях. Структурная – связана с кремнекислородными тетраэдрами, подвижная – заполняет микропоры, а также вода, входящая в состав гидрооксидов (гидроксил, ОН). Содержание воды в обсидианах колеблется от 0,10 до 0,70%, в перли-тах – 2,60-6,70%, пехштейнах – 2,30-6,10%. Особенностью перлита являет-ся его способность вспучиваться при обжиге с многократным (до 20 раз) увеличением объема.

Вследствие высокой скорости охлаждения и повышение вязкости магмы на поверхности литосферы, растворённые в ней газы не всегда удаляются и образуют поры. Поэтому текстура излившихся пород мо-жет быть как плоской так и пористой, в зависимости от условий образо-вания. Физико-механические свойства излившихся пород изменяются в более широких пределах, по сравнению с аналогичными показателями глубинных пород.

Средняя плотность изменяется в пределах от 2,2 до 3,6 г/см³, а порис-тость может достигать 10% и более, водопоглощение обычно не превышает 1,0%. Предел прочности при сжатии изменяется от 50 до 300 МПа.

Характеристика магматических пород некоторых месторождений РФ приведены в табл. 1.1

Таблица 1.1Физико-механические свойства магматических горных пород

МесторождениеПлотность, г/см³ Порис-

тость, %

Водо-погла-щение,

%

Предел прочности при сжа-тии, НПа

истин-ная

сред-няя

Каменногорское (гранит), Ленинградская область

2,60-2,70

2,60-2,70 0,4-2,6 0,1-0,4 75-240

Саталинское (лабрадорит), Челябинская обл 2,70 2,70 0,4-4,8 01-0,3 115-130

Черновское (диорит), Свердловская область 2,74 2,67 2,6 0,8-1,1 120-130

Весеннее (диабаз), Оренбургская область 2,86 2,68 6,2 0,7-0,9 120

11

Применение глубинных и излившихся магматических пород в строительстве

Магматические породы применяются в конструкциях и сооружени-ях, которые находятся в особенно неблагоприятных условиях, и которым предъявляются высокие требования по морозостойкости, износостойкос-ти, долговечности. Объемы добычи и применения этих пород составляют миллионы т ежегодно. Транспортировка повышает цену на продукцию поэтому обычно используются те горные породы, которые добывают в данном регионе.

Из магматических пород получают следующие разновидности продукции.

Щебень и песок, в том числе щебень и песок декоративные. Щебень получают дроблением массивных горных пород с последующим разде-лением на фракции по размерам зерен. Щебень применяется в качестве заполнителя в тяжелых (обычных) бетонах (в том числе декоративных), а также для устройства оснований под дорожные и аэродромные пок-рышки. Щебень из трахита, андезита и базальта используется в качестве заполнителя в кислотостойких бетонах.

Бутовый камень в размеры кусков изменяется от 150 до 500 км. Регламентируются средняя плотность, прочность и морозостойкоть го-ронй породы. Применяют для фундаментов и стен зданий и сооружений, а также при возведении массивных бетонных сооружений.

Облицовочные материалы. Блоки облицовочные из горных пород используются для производства изделий наружной и внутренней об-лицовки общественных, административных зданий, вокзалов и других. Регламентируются прочность, долговечность, морозостойкость, средняя плотность и водопоглощение горной породы.

Плиты облицовочные изготавливаются распиливанием блоков и при-меняются для наружной и внутренней облицовки зданий и сооружений. Плиты имеют прямоугольную или квадратную форму длиной от 150 до 15 000 мм, шириной от 8 до 30 мм.

Изделия архитектурно-строительные (пиленые и колотые). Это лест-ничные ступени, проступки, парапеты, плиты цокольные и накрывные, плиты подоконные. Лицевая поверхность изделий может быть поли-рованной, лощеной (матовой), термообработанной, фактуры «скалы», точечной и др.

Камни бортовые предназначены для отделения проезжей части улиц от тротуаров и газонов. По форме камни подразделяются на прямоугольные и криволинейные, по способу изготовления – на пиленые и колотые.

Обломочные магматические горные породыМагма, образовавшаяся в литосфере или мантии, содержит некото-

12 Природные каменные материалы

рое количество газов. При медленной охлаждении газы выделяются в атмосферу, при быстром охлаждении – вследствие повышения вязкости расплава – образуют в горной породе поры. При выбрасывании магмы в атмосферу образуется рыхлый обломочный материал, (вулканический пепел, песок, пемза), с течением времени обломки могут цементироваться природными цементами (а также жидкой лавой) с образованием порис-тых массивных пород (туфов и туфовых лав).

Обломочные породы состоят преимущественно из вулканического стекла, текстура – пористая (пористость достигает 60% и более).

Вулканический пепел и песок состоят из частиц размером до 1 мм и 5 мм соответственно. Применяют в качестве активной минеральной до-бавки в смешанных цементах – известково-пуццолановом и пуццолано-вом портландцементе.

Пемза – обломочная порода, содержащая обломки, размером более 5 мм. Средняя плотность изменяется в пределах от 0,15 до 0,50 г/см³, теп-лопроводность – 0,13-0,23 Вт/(м ·°С), насыпная плотность 300-600 кг/м³, предел прочности при сжатии – 2-3 НПа. Используется как заполнитель в легких бетонах и в количестве активной минеральной добавки в сме-шанных цементах.

Вулканический туф и туфовая лава – массивные пористые породы, содержащие 40-70% пор, средняя плотность – 1,25-1,40 г/см³, теплопро-водность – 0,20-0,35 Вт/(м ·°С), предел прочности при сжатии – 8-20 НПа. В РФ крупное месторождение туфа находится в Кабардино-Балкарии.

Из туфов изготавливают пиленые стеновые камни размерами 390×190×188 мм, 490×240×188 мм и 390×190×288 мм марок по прочности от 4 до 400, в том числе лицевая для кладки стен без последующей обли-цовки. Массивы туфов содержат дефекты – трещины, крупные полости и др., поэтому выход камней, соответствующих требованиям ГОСТ обычно не превышает 50% добываемой горной породы. Обломки после дробления и сортировки используются в качестве заполнителя в легких бетонах (туфобетон) и как активная минеральная добавка.

1.2. Осадочные горные породыОсадочные горные породы образуются путем выветривания и пере-

носа пород. Выветривание- разрушение горной породы под действием окружающей среды. Факторы, вызывающие разрушение разделяют на три группы:

Физическое выветривание – колебание температуры, растворение в воде, превращение воды в лед, действие твердых частиц, переносимых ветром.

1�

Химическое выветривание – воздействие на горную породу водных растворов кислот и содей, а также газов, содержащихся в атмосфере.

Органическое – воздействие микроорганизмов, мхов, лишайников, корневых систем растений.

Вода может переносить продукты разрушения либо во взвешенном состоянии, либо в виде водных растворов с последующим образованием осадков.

По условиям образования осадочные породы подразделяют на три группы.

Породообразующие минералы осадочных горных породПородообразующие минералы осадочных горных пород подразделя-

ют на четыре группы: группа кварца, водные алюмосиликаты, карбонаты и сульфаты.

Минералы, состоящие из SiO₂ (кремнезема) и SiO₂ · H₂O. К этой группе относится кварц, который рассматривался ранее в разделе магматические породы, аморфные разновидности – опал, халцедон, яшма. Гель поликремневых кислот (SiO₂ · nH₂O) является также прочным природным цементирующим вещест-вом, образующим цементированные осадочные породы.Водные алюмосиликаты, группа включающая 29 породообразую-щих минералов. Распространены каолинит (Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O), монтмориллонит (Al₂O₃ · 4SiO₂ · nH₂O), галлуазит, иллит и другие.

1.

2.

1�

Образуются при выветривании горных пород, содержащих поле-вые шпаты и являются породообразующими минералами глин.Карбонаты (соли угольной кислоты):– Кальцит, CaCO₃ , истинная плотность – 2,70 г/см³, твердость по

минералогической шкале – 3. CaCO₃ образует три минерала – кальцит, аргонит и фатерит, отличающихся кристаллической структурой. Кальцит обладает совершенной спайностью в трех направлениях, крупные кристаллы кальцита бесцветны, они могут окрашиваться примесями. Кальцит является породооб-разующим минералом известняков и мрамора;

– Магнезит, MgCO₃ , твердость – 3,5-4,5, истинная плотность – 3,0-3,1 г/см³, является породообразующим минералом горной породы соответствующего названия;

– Доломит, MgCO₃ · CaCO₃ , твердость – 3,5-4,0, истинная плот-ность – 2,90 г/см³. Породообразующий минерал доломита, до-ломитизированного известняка и мрамора.

Сульфаты (соли серной кислоты): – Гипс, CaSO₄ · 2H₂O , твердость по минералогической шкале – 2,

истинная плотность – 2,20 г/см³. Форма кристаллов гипса зави-сит от условий образования: пластинчатый (марьино стекло), волокнистый (селенит), зернистый. Кристаллы гипса бесцвет-ные, они могут окрашиваться примесями;

– Ангидрит, CaSO₄ , твердость – 3,0-3,5, истинная плотность – 2,8-3,0 г/см³.

Гипс и ангидрит являются породообразующими минералами гор-ных пород такого же названия.

Обломочные (механогенные) осадочные горные породыРазличаются по величине слагающих их обломков и минеральному

составу. К рыхлым породам относятся:Валуны – крупные обломки, размером более 80 мм, используют для

приготовления щебня.Щебень – состоит из обломков угловатой, острогранной формы, разме-

рами от 5 до 70 мм. В зависимости от исходной горной породы, природ-ный щебень может быть плотным и пористым, может иметь различный минеральный состав и структуру. Природный щебень, образовавшийся при разрушении магматических горных пород (гранита, габбро, диабаза и других), можно использовать в качестве заполнителя в тяжелых (обыч-ных) бетонах, а также в дорожном строительстве.

Гравий – состоит из обломков округлой формы размером от 5 до 70 мм, образуется переносом (истиранием) щебня, применяется также, как и щебень.

3.

4.


1�

Песок – рыхлая горная порода, состоящая преимущественно из зерен размером от 0,14 до 5 мм. Кварцевые пески образуются при выветривании горных пород, содержащих кварц (гранита). По условиям образования различают пески морские, озерные и другие. По минеральному составу пески могут быть кварцевые, полевошпатовые, известняковые и другие. Пески применяются как заполнитель в бетонах и строительных раство-рах, а такжк при производстве строительной керамики и в дорожном строительстве.

Пылевидные частицы имеют размеры менее 0,14 мм. Горная порода, состоящая преимущественно из таких частиц называется лёссом. Лёсс используется как сырье при производстве строительной керамики.

Глина – рыхлая осадочная порода, состоящая преимущественно из частиц размером менее 0,005 мм (5 мкм). Может содержать сравнитель-но грубодисперсные примеси (кварцевый песок, пыль). Глина является сырьем керамической промышленности.

В литосфере рыхлые породы могут цементироваться природными цементами, кремнегелем и другими. К цементированным породам отно-сятся песчаник, конгломерат и брекчия.

Песчаник образуется цементацией песка. Физико-механические свойст-ва песчаника (также, как и других цементированных пород) зависят от типа природного цемента – кремнистого, известнякового, железисто-го, гипсового и других. В строительстве применяют преимущественно кремнистые и известняковые песчаники, как сравнительно прочные и долговечные.

Конгломерат и брекчия состоят соответственно из гравия или щебня, цементированных природными цементами. Физические свойства зависят от состава и свойств дисперсного компонента (песка, гравия, щебня), типа природного цемента и изменяются в широких пределах. Средняя плот-ность – 1500-2900 кг/м², предел прочности при сжатии – 5-160 МПа.

Прочные и долговечные разновидности цементированных пород при-меняются для производства заполнителей для бетона и облицовочных материалов (блоков и плит).

Химические осадки (хемогенные породы)Образуются выпадением в осадок растворенных солей при испарении

воды в водоемах или изменении температуры воды.Известняки состоят из кальцита или аргонита (CaCO₃). Цвет извест-

няков изменяется в широких пределах – белый, черный, коричневый и другие. Чистые известняки – горные породы белого цвета, окраска из-вестняков обусловлена примесями. Известняк, содержащий глину назы-вается мергелем. Известняки могут иметь как плотную, так и пористую текстуру. Средняя плотность плотных известняков изменяется в преде-

1�

лах от 1800 до 2600 г/м³, предел прочности при сжатии от 10 до 100 МПА. Известняки, средняя плотность которых приближается к 2600 кг/м³, на-зываются мраморизованными известняками.

Пористые известняки имеют среднюю плотность менее 1800 кг/м³. К пористым известнякам относятся известковые туфы (травертин), средняя плотность – 1300-1600 кг/м³, предел прочности при сжатии – 10-80 МПа.

Известняки являются ценным промышленным сырьем, их используют в производстве вяжущих веществ – извести и портландцемента.

С древних времен, известняки как мягкие, сравнительно легко обра-батывающиеся породы использовались как строительный камень – для кладки бутобетонных фундаментов, стен монастырей, крепостей, жилых зданий. Из плотных известняков изготавливают облицовочные плиты и блоки. Пористые известняки в виде блоков стандартных размеров исполь-зуются для кладки наружных стен зданий и сооружений. Из пористых и плотных известняков получают щебень и песок которые используются в бетонах и строительных растворах. Измельченные известняки применя-ются как наполнители при изготовлении красок, пластмасс, асфальтовых бетонов и других материалов.

Магнезит – горная порода, состоящая преимущественно из минерала магнезита. Ценное промышленное сырье. Из магнезита получают вяжу-щее каустический магнезит и огнеупорные материалы.

Доломит – состоит из минерала доломита, по условиям образования доломит часто содержит переменное количество кальцита и магнезита. По техническим свойствам доломит незначительно отличается от известня-ков. Из доломита получают вяжущие вещества – доломитовую известь и каустический доломит, огнеупорные материалы. Горная порода доломит имеет ту же область применения в строительстве, как и известняки.

Гипс – состоит преимущественно из минерала гипса и по его содер-жанию подразделяется на 4 сорта. Гипсовый камень 1 сорта содержит менее 5 % примесей. Распространенной примесью в гипсе является ан-гидрит и минералы группы карбонатов. Гипс используется как сырье в производстве гипсовых вяжущих и строительных материалов на их осно-ве. Природный гипс применяется для внутренней отделки помещений.

Ангидрит состоит из минерала ангидрита и содержит переменное количество гипса. Из ангидрита можно получать ангидритовые вяжу-щие вещества.

Органогенные осадочные породыПо условиям образования органогенные породы подразделяются на

две группы: зоогенные (животного происхождения) и фитогенные (рас-тительного происхождения.


1�

К зоогенным породам относится известняк-ракушечник, состоящий преимущественно из кальцита. Образуется из обломков раковин моллюс-ков, сцементированных карбонатом кальция. Средняя плотность изменя-ется в пределах от 800 до 1800 кг/м³, предел прочности при сжатии – от 0,5 до 15 МПа. Из ракушечника изготавливают камни различных размеров для кладки стен зданий и сооружений с последующей облицовкой (например, оштукатуриванием), т. к. порода содержит открытые породы и обладает высокой газопроницаемостью. Ракушечники и мел используются также в производстве вяжущих веществ (извести и портландцемента).

Фитогенные породы – диатомит и трепел – слабоцементнированные породы белого цвета, состоящие из скелетов водорослей-диатомей, ра-диолярий и морских губок (диатомит) или мельчайших частиц опала или халцедона (трепел). Диатомит и трепел – пористые горные породы, сред-няя плотность – 300-900 кг/м³, содержат от 70 до 98 % аморфного крем-незема (SiO₂). Применяются в производстве смешанных (пуццолановых) цементов, теплоизоляционных материалов, в качестве наполнителей при изготовлении пластмасс.

Характеристика осадочных пород некоторых месторождений РФ при-ведена в табл. 1.2

Таблица 1.2Физико-механические свойства осадочных горных пород


тость, %

Предел прочности при сжа-тии, НПаистинная средняя

Березовское (известняк), Саратовская область 2,70 2,30 до 17 28-40

Осиновское (песчаник), Ростовская обл 2,70 2,65 0,8-5,4 95-130

Баскунчакское (гипс), Астраханская область 2,30 2,20 до 15 10-15

Большелочское (ракушеч-ник), Ростовская область 2,70 1,50-1,70 до 30 8-15

1.3. Метаморфические горные породыПри быстрых (землетрясения) и медленных (эпейрогенез) переме-

шениях участков земной коры горные породы, находившиеся ранее на поверхности литосферы (магматические и осадочные) могут оказаться в зоне метаморфизма, на глубине 6-8 км и более. В этой зоне на горную

1�

породу действуют высокие давления (более 2000 атм), высокая темпера-тура, растворы и газы, что приводит к изменению строения, а иногда и минерального состава.

Различают метаморфические горные породы, образовавшиеся из из-верженных пород (гнейс) и осадочных (кварцит, сланцы и мрамор).

Метаморфические породы имеют зернисто-кристаллическую струк-туру и плотную сланцеваную или слоистую текстуру.

Гнейс образуется из гранита, сходен с гранитом по химическому и ми-неральному составу, но отличается по текстуре – имеет более или менее резко выраженную сланцеватость. Средняя плотность гнейсов изменяется в пределах от 2,5 до 2,6 г/см², предел прочности при сжатии – 130-300 МПа. Гнейс, также, как и гранит, применяется в строительстве в виде бутового камня, облицовочных материалов (блоков и плит), архитектурно-строи-тельных изделий, бортовых камней.

Кварцит является продуктом метаморфизма кремнистых песчани-ков. Кварцит – горная порода белого цвета, примеси окрашивают его в желтый, красный и другие цвета. Это мономинеральная горная порода, состоящая из кварца плотная, химически стойкая. Средняя плотность кварцита – 2,6-2,7 г/см³, предел прочности при сжатии – до 400 МПа. Кварцит используется в производстве стекла, огнеупорного кирпича. Применяется как высококачественный, весьма долговечный облицовоч-ный материал, в том числе кислостойкий, щебень из кварцита является заполнителем для кислотостойкого бетона.

Глинистый сланец – образуются в результате метаморфизации глин. Текстура сланцеватая, раскалыванием сланец можно разделять на плас-тинки толщиной до 3 мм. Водо- и морозостойкая горная порода, средняя плотность – 2,7-2,9 г/см³, предел прочности при сжатии – 60-120 МПа. Применяются для изготовления облицовочных (наружная облицовка) и кровельных плит.

Мрамор – зернисто-кристаллическая горная порода, состоящая из кальцита или доломита, образуется путем метаморфизации известняков и доломитов. Чистый мрамор (например, Коелгинского месторождения на Урале) – порода белого цвета, однако цвет мраморов может быть весьма разнообразным, что обусловлено примесями. Средняя плотность мрамо-ра – 2,6-2,8 г/см³, предел прочности при сжатии – 40-170 МПа. Вследствие высокой декоративности сравнительно легкой добычи и обработки, мра-мор с древних времен применялся для изготовления монументальной скульптуры, в облицовке, строительстве храмов и жилых домов. В настоя-щее время мрамор применяется как облицовочный материал (блоки, плиты): щебень и песок из мрамора (мраморная крошка) используется в декоративных бетонах и строительных растворах.


1�

Техническая характеристика метаморфических горных пород неко-торых месторождений РФ приведена в таблице 1.3.

1.4. Добыча и обработка горных породГорные породы добывают открытым способом (в карьерах). Горно-

добывающая промышленность получает продукцию трех типов:Камень необработанный (бутовый);Камень дробленый (щебень);Камень штучный (блоки).

Таблица 1.3Физико-механические свойства метаморфических горных пород


тость, %

Предел прочности при сжа-тии, НПаистинная средняя

Гранитогнейс, Северный Кавказ 2,71 2,7 0,5 до 260

Кварцит белый, Карелия 2,65 2,6 0,4 до 300

Мрамор розовый, Карелия 2,70 2,6-2,7 0,5-2,6 40-80

Мрамор белый, Коелгинское, Урал —

Выбор способа отделения от массива зависит от физико-механических свойств горной породы, условий залегания (отдельности) и типа продук-ции, которую нужно получить.

Подготовка к добыче и добыча горных пород включает несколько этапов:

Детальную разведку месторождения, определение запасов сырья, разработку проекта добычи и технико-экономическое обоснова-ние. В этот период производят отбор проб породы, их испытание, определяются физико-механические свойства.Вскрытие месторождения – удаление покровного слоя и участков, подвергшихся выветриванию. Далее производится организация карьера, добычу массивных пород ведут уступами.Отделение горной породы от массива, зависящее от отдельности и физико-механических свойств породы.

Рыхлые горные породы (глина, песок, гравий) разрабатывают экскава-торами и гидромеханическим способом (драги, землечерпалки) – размы-вают породу водой и транспортируют по трубопроводам.

1.2.3.

1.

2.

3.

20

Массивные горные породы – породы плотные, мягкие, а также порис-тые вулканические туфы, пористые известняки, доломиты и песчаники разрезают дисковыми или канатными пилами и получают крупные или мелкие блоки, соответствующие требованиям ГОСТ РФ.

Породы плотные твердые (магматические глубинные или излившиеся, а также гнейс и кварцит), способ отделения зависит от типа продукции.

Бутовый камень получают взрывным способом. Щебень изготавли-вают дроблением камня в щековых или конусных дробилках с последу-ющим разделением на фракции по размерам зерен на виброситах или вращающихся грохотах.

Для изготовления архитектурно-строительных облицовочных изделий из массива отделяют крупный блок (размером до 4 м) либо канатными пилами, либо взрывным (заряды пороха) способом, либо с помощью кли-ньев. Далее крупные блоки разделяют на мелкие с помощью клиньев, раз-резают дисковыми пилами, струей газа с температурой выше 2500 °С.

В зависимости от способа обработки крупных блоков получают обли-цовочный камень и изделия с различным рельефом поверхности (факту-рой). По способу изготовления камни разделяют на пиленые и колотые, по характеру обработки поверхности различают фактуры, полученные скалыванием и абразивные (истирание твердыми порошкообразными материалами, например корундом и другими).

При обработке пород скалыванием получают следующие фактуры.Фактура «скала» имеет грубый рельеф, получается при раскалывании

блоков с дополнительной обработкой лицевой грани.Бугристая фактура (грубая, средняя и мелкая) различается высотой

рельефа (максимальным расстоянием от выступа до впадины) на лице-вой поверхности. Получают обработкой инструментом с насадкой, на-зываемой шпунтом.

Рифленая фактура с шероховатой поверхностью и параллельными бороздами, глубиной до 3 мм получается при обработке поверхности троянкой.

Бороздчатая фактура с прерывистыми бороздами глубиной до 3 мм получается при обработке камня крестовой бучардой.

При распиливании блоков рамными или дисковыми пилами полу-чают пиленую фактуру.

При резке камня струей высокотемпературного газа получается тер-моструйная фактура (рельеф до 5 мм).

Абразивные фактуры получают обработкой поверхности горной породы твердыми пороникообразными веществами на шлифовальных и полировочных машинах.

Шлифованная фактура – шероховатая матовая поверхность с высотой рельефа 0,2-0,5 мм.


21

Лощеная фактура – гладкая, матовая поверхность, проявляется рису-нок (структура и текстура камня).

Полированная (зеркальная) фактура характеризуется зеркальным блеском, отражением предметов.

Абразивные фактуры относятся к числу дорогих, но они повышают декоративность природного камня, применяющегося в отделке.

Выветривание каменных материалов, применяющихся в строительстве и способы борьбы с выветриванием.При эксплуатации строительный камень постепенно разрушается

под действием окружающей среды (выветривание). По долговечности (по сроку службы до появления признаков выветривания) природный камень подразделяется на 4 группы:

Весьма долговечные (до 650 лет) – кварцит, мелкозернистый гранит.Долговечные (до 350 лет) – крупнозернистый гранит, сиенит, габ-бро, лабрадорит.Относительно долговечные (до 150 лет) – белый мрамор, плотный известняк и доломит.Недолговечные (20-75 лет) – цветной мрамор, гипсовый камень, пористый известняк и другие.

Недолговечные и относительно долговечные горные породы в неко-торых случаях нуждаются в защите от выветривания. Способы защиты подразделяются на конструктивные и консервационные.

Конструктивные способы заключаются в разработке рациональных строительных конструкций, например обеспечивающих защиту от увлаж-нения (карнизы, системы водоотвода), а также шлифование и полировка отделочного камня.

Консервационная защита заключается в пропитке пористого камня на достаточную глубину, повышении плотности поверхностного слоя, заполнении открытых пор.

В зависимости от химического, минерального составов и текстуры применяются различные способы защиты.

Флюагирование и аванфлюатирование пропитка карбонатных по-род растворами солей кремнефтористоводородной кислоты.MgSiF₆ + 2CaCO₃ = 2CaF₂ + MgF₂ + SiO₂ + 2CO₂ Образуются малорастворимые в воде вещества (фториды, крем-негель), заполняющие поры и повышающие плотность поверх-ностного слоя.При обработке пород, не содержащих карбонатов, вначале произ-водится пропитка водным раствором CaCl₂ (аванфлюатирование) с последующей обработкой кремнефторидом.

1.

2.

3.

4.

1.

22

Обработка поверхности карбонатных пород жидким стеклом (си-ликатирование). Коагуляция жидкого стекла и его химическое взаимодействие с основой также приводят к образованию мало-растворимых в воде веществ (кремнегеля, пиросиликатов), кото-рые заполняют поры.Обработка кремнийорганическими полимерами.Гидрофобизация поверхности – обработка гидрофобитными поверхностно-активными веществами.

2.

3.4.


2�

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3

1.1. Изверженные (магматические) горные породы 6

1.2. Осадочные горные породы 12

1.3. Метаморфические горные породы 17

1.4. Добыча и обработка горных пород 19

Documents

Природные каменные материалы