ТехЛиб СПБ УВТ

Природные каменные материалы, применяемые в строительстве, подразделяются на две основные группы: материалы, используемые в первоначальном природном виде — рыхлые каменные материалы (например, песок, гравий) и материалы, пригодные для строительных целей лишь после соответствующей механической обработки (распиловка, шлифовка, дробление и др.) — массивные горные породы (например, гранит, известняк, мрамор). Из камней второй группы получают пиленый стеновой, облицовочный, дорожный (бортовой, брусчатка и др.) материал, кровельную плитку.

Горные породы метаморфического происхождения с древности использовались людьми, поскольку требовали меньше усилий на обработку.

Основные показатели изделий из строительного камня — это средняя плотность, прочность и стойкость к различным условиям. По показателям средней плотности различают легкие и тяжелые камни. Легкие камни (плотность 1,8) имеют пористое строение, и поэтому могут быть использованы в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов. К ним относятся такие горные породы, как плотный известняк, доломит, травертин, гипсовый камень, пемза, вулканический туф, известняк пористый. Тяжелые (плотность выше 1,8) камни широко применяют для сооружения фундаментов, подпорных стен, плотин, волноломов, мощения земляных откосов, дорожных работ, декоративной облицовки и др. К тяжелым камням относятся гранит, диорит, сиенит, габбро, кварцит, лабрадорит, базальт, диабаз, андезит и породы средней твердости: мрамор белый и серый, мрамор цветной и мраморовидный известняк, песчаник.

Блоки и строительные камни применяются для кладки стен (наружных и внутренних) монументальных зданий, для фундаментов и стен подвалов. Естественный облицовочный камень применяется для покрытия внешних поверхностей зданий и сооружений, оформления интерьеров, изготовления архитектурно-строительных деталей (колонны, капители, пилястры, ступени и т.д.) и скульптур. В качестве облицовочных материалов используют граниты, сиениты, диориты, габбро, кварцит, андезит, мраморы, травертин, известняки, туфы, доломиты, сланцы, песчаники.

Для облицовки камень применяется как в необработанном виде — пластины неправильной формы с рваными краями, так и в виде плит. Облицовочные плиты в зависимости от метода изготовления делят на плиты тесаные и плиты пиленые. Пиленые плиты легче получить, поэтому они значительно дешевле тесаных.

При обработке поверхности плиты ей придают ту или иную фактуру. В зависимости от приемов обработки камня (скалыванием или абразивная) установлены стандартные виды внешней поверхности каменных изделий: бугристо-скальная — скол с крупными чередующимися буграми и впадинами на поверхности без следов их получения; рифленая — рельефная с правильным чередованием гребней и впадин до 2 мм; бороздчатая — равномерно шероховатая с прерывистыми бороздками глубиной от 0,5 до 1 мм; точечная — равномерно шероховатая с точечными углублениями от 0,5 до 2 мм.

Обработка абразивными материалами дает следующие фактуры: пиленую — неравномерно бороздчатую с бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную — равномерно шероховатую с рельефом глубиной до 0,5 мм; лощеную — гладкую, бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня; зеркальную — гладкую с зеркальным блеском. Основные требования, выдвигаемые к плитам — однородность построения горных пород, используемых для их изготовления, прочность, устойчивость к выветриванию, хорошая обрабатываемость, отсутствие трещин.

С точки зрения простоты обработки, все породы делятся две группы:  прочные и малопрочные. Прочные породы характеризуют высокая твердость, как правило, крупно- и среднезернистое строение, малое водопоглощение в невыветренном состоянии и т.п., а малопрочные – незначительная прочность и более высокое водопоглощение. Твердость при определении вида каменной породы в полевых условиях наиболее удобно измерять по относительной шкале Мооса с помощью некоторых минералов или подручных средств.

     Определение баллов по шкале Мооса

Породообразующие минералы	Балл шкалы Мооса	Подручные материалы
Каолин	1	Грифель мягкого карандаша
Тальк	1	2М-ЗМ
Гипс	2	Ноготь человека
Слюда	1,5-2,5	50-копеечная монета
Каменная соль	2,5	То же
Кальцит (мрамор)	3	« «
Плавиковый шпат	4	2-рублевая монета
Апатит	5	Стекло оконное
Роговая обманка	5	То же
Пирит	5,5-6	Стальной нож среднего качества
Полевые шпаты	6	Напильник
Кварц	7	Напильник, стальная игла
Корунд	9	Стеклорез обыкновенный
Алмаз	10	Стеклорез алмазный

     Строение является важным элементом при определении (идентификации) вида породы. Здесь может помочь определение характера зернистости с помощью схем (рис. 1.1). Помимо перечисленных признаков при определении породы обычно используют также цвет, сложение (слоистое, массивное и т.п.) и среднюю плотность.

     Существенно могут помочь при идентификации, особенно осадочных пород, химические методы распознавания. Например, с помощью соляной кислоты хорошо распознаются известняки, доломиты и мрамор, так как при ее действии поверхность этих пород «вскипает» в результате химической реакции. Средняя плотность породы – также важный показатель ее прочности. 

Средняя прочность породы

Порода	Структура и ее сложение	Наиболее распространенный цвет	Твердость по шкале Мооса Т и плотность Рср , кг/м3(г/см3)
Прочные и твердые породы
Гранит	Крупно- и среднезернистая структура с видимыми частицами слюды; сложение массивное	Серый, иногда желтоватый или красноватый	Т = 6-7; Рср = 2600 (2,6)
Сиенит	Среднезернистая структура; сложение слоистое	Темно-зеленый, реже — серовато-красный	Т = 6; Рср =2800 (2,8)
Диорит	Средне- и мелкозернистая структура; сложение массивное	От темно-зеленого до черно-зеленого	Т = 6; Рср =2800(2,8)
Андезит	Мелкозернистая структура с включениями вулканического стекла; сложение массивное	Зеленовато-сероватый	Т = 6-7; Рср = 2200 (2,2)
Габбро	Мелкозернистая структура; сложение массивное	От оливкового до коричневого	Т = 6; Рср =3100(3,1)
Гнейс	Средне- и мелкозернистая структура; сложение, ярко выраженное слоистое с тонкими прожилками (прослойками)	Серый с красноватым или зеленоватым оттенком	Т = 5-6; Рср = 2600 (2,6)
Базальт	Очень мелкозернистая структура; сложение массивное	Черный с сероватым тусклым отливом	Т = 7-8; Рср = 3000(3)
Диабаз	Мелкозернистая структура; сложение массивное	Темно-серый, может быть зеленовато-серым	Т=6; Рср = 3000(3)
Порфиры	Скрытокристаллическая или стекловидная структура с вкраплениями средних и крупных зерен; сложение массивное	Красноватые и зеленоватые зерна на сером фоне	Т=6; Рср =2600(2,6)
Кварциты	Мелкозернистая структура; сложение массивное	Белый, серый, реже — желтоватый и красноватый	Т = 7; Рср =2600(2,6)
Менее прочные и менее твердые породы
Песчаники	Равномерная мелкозернистая структура; сложение пластовое	Серый с желтоватым или красноватым оттенком	Кремнистые Т = 6, железистые Т = 5, известковые Т = 4; Рср = 2400-2600 (2,4-2,6)
Известняки плотные	Землистая аморфно-кристаллическая структура; сложение чаще слоистое, бывают загрязнены включениями глины	Серый с кремоватым, желтоватым или оранжеватым оттенками	Т = 3-5; Рср = 2400-2600 (2,4-2,6)
Известняки рыхлые	Аморфно-кристаллическая пористая (иногда ноздреватая) структура; сложение слоистое	Серый или белый с желтоватым оттенком	Т = 2-3; Рср = 1300-1800 (1,3-1,8)
Доломиты	Среднезернистая структура; сложение чаще пластовое, но бывает и массивное	Серый с прожилками	Т = 4; Рср = 2800(2,8)
Сланцы	Чаще аморфная, реже мелкозернистая структура; сложение тонкослоистое, слои легко отделяются друг от друга	Чаще черный, темно-зеленый или бурый	Т = 2-3; (кремнистые до Т = 5-6); Рср = 2600-2700 (2,6-2,7)
Мраморы	Мелкозернистая структура; сложение массивное	Разнообразный, но обязательно с узорами, прослойками и прожилками	Т = 4; Рср = 2600-2900 (2,6-2,9)
Примечание. Крупнозернистое строение — частицы более 5 мм, среднезернистое — частицы 1-5 мм, мелкозернистое — частицы менее 1 мм, аморфное строение — частицы практически не видны.

     Сопоставляя полученные данные с характеристиками этой таблицы, можно довольно точно определять различные виды природных каменных материалов. При этом все характеристики даны для прочных, невыветренных пород.

Плотность. Для определения средней плотности нужно иметь весы с разновесами и уметь измерить объем образца неправильной формы. Наиболее просто определяется средняя плотность материала, если имеется под рукой градуированный мерный цилиндр. Тогда, налив в него примерно 200-300 см³ воды (лучше брать цилиндр на 500 см³ – 0,5 л), опускают в него один или несколько кусков каменного материала и по вытесненному количеству воды определяют их объем. После этого, поделив их массу в граммах на полученный объем в см³, вычисляют среднюю плотность испытуемого материала в г/см³ (Р_ср).

     Однако этот способ определения пригоден в таком виде только для плотных каменных пород, у которых водопоглощение незначительное (максимум до 2%). При водопоглощении до 5% желательно, сначала взвесив сухой образец, поместить его в воду до полного насыщения. После этого можно определять его среднюю плотность описанным выше методом. Полным считается такое насыщение, когда приращение веса в результате водопоглощения приостанавливается. Образцы камня с высокой открытой пористостью полагается перед определением их объема парафинировать. В условиях строительства более удобно окунуть куски пористого камня в расплавленный битум. Взвешивание камня при этом производится как в исходном состоянии, так и после покрытия битумом. Объем битума легко учитывается, так как его плотность – Р_ср= 1.

     Пористые камни (туфы, некоторые известняки) относятся к малопрочным и легко обрабатываются. Поэтому из них можно с помощью обыкновенной ножовки по металлу изготовить образец правильной формы (куб или балку), после чего, измерив грани, вычислить его объем.

     Для определения объема образца неправильной формы используют гидростатическое взвешивание, основанное на законе Архимеда.  Объем образца камня, см³, определяют как разность масс камня в воздухе и воде, отнесенную к плотности воды, т.е. к 1; вычисления производят по формуле:

V = (G₁ – G₂)/ Р_в,

где V – объем образца, см³;

G₁ – масса образца на воздухе, г;

G₂ – масса образца в воде, г;

Р_в – плотность воды, г/см³ (Р_в =1).

     Водопоглощение. Для определения стандартного водопоглощения материал насыщают водой в течение 24 ч. Опыт показывает, что о водопоглощении породы можно судить по быстроте впитывания ею капли воды или чернил (чернила можно не капать, а провести жирную черту). В случае растекания капли камень может использоваться для бетонов средних марок, неответственных дорожных покрытий, фундаментов малоэтажных зданий и т.п. Порода, на образце которой капля или черта быстро расплывается (быстро впитывается), используется только на подготовку под полы, отмостку и т.п. Камни, предназначенные для использования в качестве щебня в высокопрочных бетонах, для дорожных покрытий, цоколей зданий, кладки фундаментов и т.п., почти не впитывают воду.

     При определении водопоглощения следует обращать внимание на запах влажного образца: если при большом водопоглощении образцы имеют запах глины, они являются слабыми. С помощью подкрашенной воды (раствора марганцовокислого калия) можно определить слоистость и трещиноватость породы, если она не определяется визуально. Для этого необходимо выдерживать образцы камня в такой воде не менее 1 суток. Водопоглощение – показатель степени выветрелости и морозостойкости породы.

     Морозостойкость. О морозостойкости породы можно судить по внешнему виду и по ее водопоглощению. Чем тверже порода и чем больше она содержит кварца, кремния и других твердых минералов, тем она более устойчива к атмосферным и температурным воздействиям. Повышенное содержание слюды говорит о недостаточной морозостойкости каменной породы. Нежелательно присутствие в породе пирита – серного или железного колчедана. Его кристаллы имеют кубическую форму и латунно-желтый цвет. При воздействии соляной кислотой пирит выделяет сероводород.

     Внешние признаки, характеризующие пониженную морозостойкость: наличие трещин с равными, зазубренными краями; неоднородное крупнозернистое строение; наличие бурых пятен на поверхности (характерно для таких пород, как диориты, габбро и базальты), несвежий излом и тусклый блеск кристаллов на образцах; поверхностное шелушение, расслаивание и наличие рыхлых включений (характерно для известняков).

     Высокое водопоглощение (более 5-6%) также указывает на пониженную морозостойкость из-за наличия трещин в породе. О морозостойкости можно судить и по прочности камня. Косвенно о морозостойкости можно судить по результатам высушивания на электрической плитке или на солнце насыщенного водой камня: если он растрескается, то порода неустойчива к атмосферным воздействиям, т.е. она неморозостойка.

     Прочность – один из основных показателей качества природных каменных материалов. Большой прочностью – 100-350 МПа обладают изверженные породы – граниты, диабазы, базальты; меньшей прочностью (100-200 МПа) обладают осадочные породы – известняки, доломиты, песчаники, кварциты и др. Один из показателей прочности камня – твердость. В полевых условиях ее определяют по шкале Мооса.

     В том случае, когда минералы этой шкалы отсутствуют, можно воспользоваться стальной иглой, которой чертят (царапают) породу. Твердость такой иглы принимают около 5 по шкале. На минералах твердостью выше 5 игла не оставляет следа, при твердости ниже 4 она оставляет рваную черту с зазубренными краями, а на минералах твердостью ниже 3 стальная игла оставляет ровную глубокую черту. Горные породы, твердость которых 5 и выше, достаточно прочны и допускаются в строительстве. Породы твердостью 3 и ниже без стандартных испытаний применять в строительстве не разрешается.

     О прочности каменной породы можно судить по ее раскалыванию под ударом молотка или кувалды. Для пробы на прочность образец камня около 200 см³ (приблизительно 6x6x6 см) одним-двумя ударами молотка или кувалды раскалывают в щебенку. Прочный камень расколется на 2-3 куска, а непрочный или выветренный – на много мелких кусочков. При расколе песчаников замечают связь зерен с цементирующим веществом: если связь прочная, раскол происходит по зернам и цементу, а если нет – то разрушается цемент, в то время как зерна остаются целыми.

     Прочность каменной породы при ударе молотком можно определить и по звуку. Для этого кусок породы кладут на ладонь и по нему наносят не очень сильный удар молотком. Плотный и прочный камень дает ощущение упругого удара и издает звонкий звук, причем после удара молоток от камня отскакивает. Неплотный, трещиноватый и непрочный камень при ударе издает глухой звук (бухтит).

     Водопоглощение также может характеризовать прочность камня. Если образец каменной породы имеет большое водопоглощение и это поглощение происходит быстро (см. выше), это значит, что структура образца нарушена и порода имеет повышенную пористость (трещиноватость). Существует определенная связь между водопоглощением и прочностью природных каменных материалов.

Связь между водопоглощением и прочностью для гранитов и известняков

Водопоглощение, %	Прочность на сжатие, МПа
Граниты
0,2	Не менее 120
0,4	90-110
0,6	70-90
0,8	60-70
1	50-60
1	Не более 50
Известняки и доломиты
0,5	Около 200
1	170-200
2	130-170
3	100-130
4	70-100
5	50-70
6	Менее 50
7-8	Менее 15

     Средняя плотность в некоторых случаях также может быть связана с прочностью. Так, прочность известняков повышается с увеличением их плотности.

Прочность на сжатие разных известняков.

Средняя плотность, кг/м3	Прочность на сжатие известняка, МПа
	однородного плотного	неоднородного
1900	—	10-20
2000	40-50	15-25
2200	45-70	25-35
2400	70-120	35-50
2500	90-160	80-150
2700	130-200	—

Магнезит MgCOз используют для получения огнеупорных материалов и магнезиального вяжущего — каустического магнезита. Наиболее богатое месторождение магнезита имеется на Урале.

Доломит состоит в основном из минерала того же названия СаСОз* •MgCO3. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, а иногда обладают и более высокими качествами. Применяют их в качестве строительного камня и щебня для бетона, а также для получения огнеупорных материалов и вяжущего вещества (каустического доломита).

Гипс CaSO4’2HoO, состоящий из минерала того же названия, используют главным образом для изготовления гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавки при производстве портландцемента.

Ангидрит CaSO4, состоящий из минерала того же названия, применяют для получения вяжущих, а также для изготовления плит для внутренней облицовки. Внешне ангидрит заметно не отличается от гипса и залегает обычно вместе с ним.

Магнезит	Гипс	Ангидрит	Доломит

 

Известковые туфы образовались в результате выпадения СаСО3 из холодных и горячих подземных углекислых вод. Очень пористые известковые туфы используют как материал для декоративных построек (гроты и др.) н как сырье для приготовления извести, а плотные с мелкими равномерно расположенными порами и пределом прочности при сжатии до 800 кГ/см2 — для наружной о/spanблицовки зданий.

Мраморы состоят из более или менее крупных кристаллов известкового шпата (кальцита), иногда с примесью зерен доломита. Кристаллы часто видны невооруженным глазом и прочно соединены между собой без всякого цементируp class=»MsoNormal» style=»margin-bottom: .0001pt; line-height: normal;»ющего вещества.

Мраморы образовались из известняков (реже из доломитов) под влиянием высокой температуры и под действием огромных давлений в толще земной коры, вызвавших перекристаллизацию известняков. Мрамор бывает белоснежный или розовый, желтый, красный, черный и других цветов (в зависимости от примесей) ; в нем часто имеются прожилки и узоры. Предел прочности мрамора при сжатии около 1200 кГ/см2, но иногда он достигает 3009 кГ/см2. Мрамор легко пилится на тонкие плиты и вследствие высокой плотности хорошо шлифуется и полируется. Используют его для декоративных и облицовочных работ: из него делают плиты для внутренней отделки зданий, плитки для полов, а также лестничные ступени, подоконные доски и другие изделия. Мрамор в наружной отделке зданий и сооружений под влиянием атмосферных факторов (важнейший из них — сернистый газ, содержащийся в воздухе промышленных центров и больших городов) быстро выветривается, теряет блеск полировки, цвет его изменяется.

Кварцит — метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными зернами кварца, которые срослись между собой так, что цементирующее вещество неразличимо. Он имеет цвет белый или, в зависимости от примесей, красный, фиолетовый, темно-вишневый. Кварцит хорошо противостоит выветриванию, его предел прочности при сжатии достигает 4000 кГ/см2. Вследствие большой твердости кварциты трудно обрабатываются. Применяют их обычно в особо ответственных местах зданий и сооружений, например для изготовления подферменных камней в мостах, для наружной облицовки в виде тесаного камня и облицовочных плит (если от них требуется повышенная стойкость); иногда из кварцита изготовляют ступени для лестниц. Кварциты используют также в виде бутового камня и щебня. Они являются сырьем для производства огнеупорных (динасовых) изделий.

Кварцит	Мрамор	Мрамор	Известковый туф

 

Организация добычи каменных материалов

 

Весь комплекс работ по добыче каменных материалов называется горными работами. Разрабатываемые   месторождения   носят   название карьеров, а выработанные пространства, образующиеся в процессе добычи ископаемых, — выработок. Обычно при добыче полезных ископаемых попутно получается более или менее значительное количество непригодной для строительства так называемой пустой породы.

Различают карьеры коренных месторождений, в которых разрабатывают сплошные массивы горных пород, например граниты, известняки и др., и карьеры рыхлых горных пород (разработка песка, гравия, валунного камня).

Карьеры делятся на два основных типа:

• промышленные, с большими запасами полноценных пород, что гарантирует  долголетнюю их эксплуатацию, возможность   применения современных машин и оборудования и механизацию работ. Эти карьеры, территориально не связанные со строительными объектами, как правило, связаны с железнодорожным или водным путем для транспортирования готовой продукции;
• притрассовые  (расположенные у дорог), обслуживающие местные нужды и расположенные вблизи строительного объекта, с небольшим сроком эксплуатации.

Разработка горной породы, в зависимости от условий залегания, может быть открытая, подземная или, в редких случаях, подводная. При выборе метода разработки учитывают условия залегания породы, ее качество и количество, а также характер трещин, облегчающих разработку.

 

Подземный музей горного дела, геологии и спелеологии в г. Пешелань (Нижегородская область)

Музей устроен в бывшей шахте по добыче гипса

 

Для открытых работ особенно удобны выходы горных пород в верхних зонах склонов долин, оврагов и берегов рек. В этом случае резко уменьшается объем вскрышных работ, облегчается отвод грунтовых и атмосферных вод и облегчается транспортирование готовой продукции к местам погрузки.

Последовательность операций по подготовке карьеров к разработке и собственно разработка полезного ископаемого:

• планировка   местности  с  обязательным  отводом   атмосферных осадков, грунтовых и паводковых вод;
• обнажение породы и удаление пустой породы (вскрышные   работы) ;
• разработка и удаление на   специальные   площадки   выветрившихся в верхнем слое пород;
• отделение монолитов от массива и передача их к месту дополнительной обработки;
• разделка монолитов на глыбы нужных размеров или   переработка в определенный вид каменной продукции;
• сортировка готовой продукции;
• транспортирование   продукции   к    местам    отгрузки    (или   на склад).

Вскрышные работы и связанные с ними перемещения больших объемов грунта производятся бульдозерами и экскаваторами большой производительности. Там, где горные породы имеют значительную тре-щиноватость, возможно применение экскаваторов для отделения горной породы от массива. Породы, не имеющие необходимой в этом случае трещиноватости, например массивные изверженные горные породы, как правило, разрабатывают с применением взрывчатых веществ. При этом в горной породе бурят ряд скважин (шпуров), в которые закладывают взрывчатые вещества, шпуры прочно заделывают и производят взрыв.

Для получения того или иного вида каменного материала применяют различные взрывчатые вещества. При необходимости получения монолитов больших размеров используют так называемые метательные взрывчатые вещества, имеющие небольшую скорость распространения взрыва (до 400 м/сек), вследствие чего объем газа увеличивается постепенно и сильного дробления горной породы не происходит. К этому виду взрывчатки относится черный порох.

При добыче из монолита щебня или рваного камня применяют бризантные взрывчатые вещества (аммоналы и др.). имеющие скорость распространения взрыва от 4000 до 7000 м/сек, что вызывает дробление взрываемой породы на мелкие части.

Широко практикуется добыча каменных материалов путем распиловки массива камнерезными машинами непосредственно на месте залегания породы. Машины особенно эффективны при подземных выработках слабых и мягких пород, например ракушечника, известковых туфов и др. В этом случае с минимальными отходами получается готовый каменный материал правильной формы, одинакового размера и объема, направляемый непосредственно на строительство.

Более твердые породы (мраморы, некоторые разновидности гранитов и др.) на штучный камень, блоки и плиты распиливают пилами со стальными дисками, армированными пластинками твердых сплавов или с абразивными порошками. Особенно эффективны диски с абразивной массой, состоящей из мелкозернистого корунда, электрокорунда или шлифовального порошка. Еще более высокая производительность резания каменного материала достигается применением алмазного режущего инструмента.

Песок и гравий можно добывать также и гидромеханическим способом, когда  вода,  подаваемая гидромонитором под большим давлением, разрыхляет грунт. Гравий со дна озер и прибрежной части морей добывают специальными плавучими механизмами — драгами и землечерпалками.

Как видно из сказанного, часть каменных материалов приобретает вид готового материала непосредственно на месторождении. Это — песок, гравий, щебень, пиленые камни разных назначений и др. Но значительная часть каменных материалов, добытых в карьерах, направляется на специализированные заводы для окончательной обработки, в результате которой камень приобретает заданные размеры и форму, а также фактуру лицевой стороны.

Методы обработки камня весьма разнообразны, но, к сожалению, еще не достаточно механизированы. Так, при разделке крупных глыб на более мелкие до настоящего времени применяются стальные клинья и ручная кувалда весом до 15 кг, так как разделка взрывом не всегда возможна и дает дополнительный отход материала. Очень трудоемкая работа по отделке лицевых поверхностей камней также до сих пор полностью не механизирована.

Весьма трудоемкая работа по шлифовке и полировке некоторых видов отделочных и декоративных камней (граниты, мраморы) с успехом стала выполняться специальными станками, применение которых свело к минимуму затраты ручного труда.

Читать по теме:

• Природные каменные материалы
• Породы метаморфического происхождения. Организация добычи каменных материалов.
• Каменные материалы, применяемые в строительстве

К разделу

Строительные материалы