Тема 3. Материалы и изделия из природного камня

Природные каменные материалы широко используются в современном стро-ительстве. Можно выделить два основных направления их применения:

1. Прямое использование этих материалов в строительстве: облицовка зда-ний и инженерных сооружений (мосты, набе­режные и пр.), возведение стен зданий, устройство лестниц и настилка полов, применение в качестве заполнителей для бе­тонов и растворов, а также в дорожном и гидротехническом строительстве.

2. Использование горных пород в промышленности стро­ительных матери-алов для получения других материалов: ке­рамики, вяжущих веществ, стекла и др. При производстве этих материалов изменяются строение, состав и свойства исход-ных горных пород.

Горные породы — это значительные по объему скопления различных ми-нералов в земной коре, образовавшиеся под вли­янием одинаковых условий.

Твердость природных минералов определяют по шкале Мооса, которая сос-тавлена из 10 минералов от 1 до 10 (самый мягкий — тальк — 1, самый твер-дый — алмаз — 10). Показа­тель твердости испытываемого минерала находится ме-жду по­казателями твердости двух соседних минералов, из которых один царапает испытываемый минерал, а другой оставляет на нем черту.

Горные породы и породообразующие минералы.

Изучение свойств природных каменных материалов зна­чительно облегчает-ся, если основываться на классификации горных пород, учитывающей их происхо-ждение (генезис). Принципы такой классификации были предложены еще М.В. Ломоносовым в 1763 г., в дальнейшем, по мере разви­тия геологии, эта классифи-кация была доработана академи­ками Ф.Ю. Левинсон-Лессингом, А.П. Карпинс-ким и др.

Генетическая классификация горных пород учитывает условия их образо-вания, а эти условия предопределяют об­щий характер строения пород данной груп-пы; строение же оп­ределяет ряд их важнейших свойств, а следовательно, облас­ти и условия применения природных каменных материалов из той или иной породы в строительстве.

Согласно генетической классификации, горные породы подразделяются на три основные группы: изверженные или магматические (первичные), осадочные (вторичные), мета­морфические (видоизмененные) (таблица).

Изверженные или магматические (первичные) горные по­роды образовались в результате охлаждения и затвердевания огненножидкой лавы (магмы) в недрах зе-мной коры или на поверхности земли. Условия охлаждения магмы были разные, что привело к образованию изверженных горных пород с раз­личным минеральным составом, строением и свойствами. В за­висимости от места образования выделя-ют: массивные — глу­бинные и излившиеся плотные и излившиеся пористые (вул­канические породы).

Глубинные (интрузивные) породы образовались в резуль­тате медленного ос-тывания магмы на большой глубине от по­верхности земли в условиях значительно-го давления вышеле­жащих слоев земли. К числу важнейших глубинных горных по­род, применяемых в строительстве, относят; гранит, сиенит, диорит, габбро и лаб-радорит.

Плотные излившиеся (эффузивные породы) образовались в верхних горизон-тах земной коры или на ее поверхности при отсутствии давления и быстром охлаж-дении магмы. Плотные излившиеся горные породы по показателям свойств близ-ки к глубинным горным породам. В зависимос­ти от химического состава магмы к этой группе относят квар­цевый и бескварцевый порфир, андезит, трахит, диабаз и ба­зальт.

Пористые излившиеся породы (обломочные и цементированные) образова-лись при извержении вулканов, когда на по­верхность земли под большим давлени-ем выбрасывались час­тицы раздробленной магмы. Магма, быстро охлаждаясь и уде-р­живая газы при снижении давления, приобретала стеклооб­разное пористое стро-ение. При скоплении продуктов вулканических извержений в виде отдельных об-ломков возникали обломочные рыхлые по­роды — пемзы, вулканические пески и пеплы. Если же об­ломки попадали в расплавленную магму до ее остывания или со временем слеживались, образовывались сцементирован­ные породы (вулканичес-кие туфы, трассы, туфовые лавы).

Осадочные горные породы образовались в результате хи­мических, физико-механических и биохимических процессов, протекающих в поверхностной зоне зе-мной коры. По преобладающему способу осаждения минеральных и органических образований выделяют три основные группы оса­дочных пород: механические отло-жения, химические осадки и органогенные отложения.

Механические отложения рыхлые (глина, песок, гравий) образовались в ре-зультате разрушения и накопления облом­ков горных пород. Часть из них подвер-галась в дальнейшем цементированию различными природными цементами и воз­никали цементированные породы: песчаники, конгломераты, брекчии.

Химические осадки — гипс, доломит, магнезит и некото­рые виды извест-няков — образовались в результате кристал­лизации солей из водных растворов в замкнутых водоемах в условиях сухого климата или в местах выхода минерализо­ванных источников на земную поверхность.

Органогенные отложения — известняки, мел, диатомит и трепел — обра-зовались в результате отмирания и преобразова­ния остатков некоторых водорос-лей и животных организмов (скелеты губок, кораллы, панцири и раковины и др.) с последу­ющим их уплотнением и цементацией.

Метаморфические (видоизмененные) горные породы обра­зовались в результате преобразования осадочных или извержен­ных пород под действием высоких темпера-тур и больших дав­лений. В условиях метаморфизма менялся минеральный состав пород, происходила перекристаллизация минералов (без их плав­ления), изменялась их структура и формировались новые поро­ды, обычно более плотные, чем исходные осадочные. Из мета­морфических пород в строительстве применяются гнейсы, мра­моры, кварциты и глинистые сланцы.

Горные породы состоят из минералов. Минерал — это при­родное тело, од-нородное по химическому составу, строению и физическим свойствам, образующе- еся в результате физико-химических процессов, происходящих в земной коре.

По распространенности в природе все минералы разделя­ют на породообразу-ющие (т.е. те, из которых, главным обра­зом, состоят горные породы), второстепен-ные (содержание их в горных породах не превышает 1 %) и редкие, встречающи-еся крайне редко в небольших количествах.

Породообразующие минералы.

В природе найдено и изучено большое количество минера­лов (более 2000), но лишь около 50 из них является породооб­разующими.

Каждый минерал обладает комплексом своих, присущих только ему свойств и признаков. К ним относятся: химичес­кий состав, строение, плотность, механичес-кие свойства (твер­дость, прочность, спайность), оптические свойства (блеск, цвет, прозрачность, светопреломление др.), тепловые, электричес­кие и магнитные свой-ства. По этим свойствам и признакам производится определение минералов.

Минералы группы кремнезема (SiO,) — ряд минералов, представляющих собой модификацию двуокиси кремния — кварц, опал и халцедон.

Кварц — наиболее распространенная кристаллическая мо­дификация кре-мнезема, являющегося составной многих гор­ных пород (гранита, кварцита, песка и др.). Плотность кварца 2650 кг/м³, твердость 7, химическая стойкость очень вы-сокая. Кварц взаимодействует лишь с плавиковой кислотой и горя­чими щелочами. Прочность кристаллов кварца при сжатии очень велика: до 2000 МПа. Обычно кварц имеет молочно-белый или серый цвет. Благодаря высокой твердости и хи-мической стойкости кварц при выветривании горных пород (на­пример, гранита) не изменяет химического состава и образует кварцевые пески.

Опал — минерал, представляющий собой твердый псевдо­гидрогель соста-ва SiО₂∙nH₂O. Содержание воды от 2 до 14%. Кроме того, в опале могут быть примеси MgO, CaO, А1₂О₃ и F₂O₃. Цвет опала от белого до желто-белого и за-висит от вида и количества примесей. Встречается опал в качестве основно­го поро-дообразующего минерала горных пород органогенного происхождения: диатомита и трепела.

Полевые шпаты — группа наиболее распространенных в природе мине-ралов, составляющих более 50% по массе гор­ных пород. Из полевых шпатов сло-жено большинство извер­женных горных пород; граниты, сиениты, габбро, анде-зи­ты, диорит. По составу полевые шпаты представляют собой алюмоси­ликаты натрия, калия и кальция. Полевые шпаты имеют твердость 6 - 6,5, плотность 2500 - 2900 кг/м³ и температуру плавления 1100— 1500°С. Их прочность и стой-кость ниже, чем у кварца. При выветривании полевых шпатов образуются главным образом глинистые минералы (например, каолинит и др.).

Железисто-магнезиальные силикаты — темноокрашенные минералы, вхо-дящие в состав основных и ультраосновных из­верженных горных пород (габбро, базальты, диабазы и др.). Эти минералы имеют плотность значительно большую, чем кварц и полевые шпаты (3200-3600 кг/м³), твердость их от 5,5 до 7,0. Отли-чительная черта железисто-магнезиальных сили­катов — высокая ударная вяз-кость, благодаря чему породы, содержащие эти минералы, имеют меньшую хруп-кость. Цвет железисто-магнезиальных силикатов зависит от наличия же­леза в их составе. Наиболее распространенные минералы этой группы: пироксены, амфиболы и оливин. Все минералы этой группы, за исключением оливина, стойки к выветри-ванию.

Слюда — группа минералов, представляющих собой алю­мосиликаты сло-истой структуры и обладающих совершенной спайностью в одной плоскости. Слюды — широко распрост­раненный минерал изверженных и осадочных пород. Твердость слюды невысока: 2,5 - 3,0. Наибольшее распространение име­ют два вида слюды: мусковит и биотит.

Мусковит — прозрачная калиевая слюда, = 2770-3100 кг/м³, находит широкое применение в качестве электро­изоляционного материала, как бронирую-щая посыпка для ру­бероида и для изготовления огнеупорных красок.

Биотит — темная железисто-магнезиальная слюда = 3000 - 3130кг/м³. Для строителей представляет интерес про­дукт выветривания биотита — верми-кулит (минерал группы гидрослюд, имеющий слоистую структуру, заполненную мо­лекулярной межслоевой водой). Благодаря этому вермикулит при нагревании до 900 - 1000° С вспучивается с увеличением объема в 15-20 раз. Вспученный вер-микулит применяется для изготовления звукоизоляционных материалов.

Асбест — группа минералов, по химическому составу пред­ставляющих водные силикаты магния и железа. Асбесты об­разуют агрегаты, сложенные тончай-шими гибкими волокна­ми. Эти агрегаты легко расщепляются на составляющие их волокна.

Глинистые минералы — группа водных силикатов алю­миния и некоторых других металлов. Эти минералы состав­ляют основную массу глин. Образуются глинистые минералы в результате выветривания полевых шпатов в виде мелких ча­стичек размером 0,01 мм, которые в свою очередь образуют агрегаты мельчай-ших пластинчатых кристаллов. Среди гли­нистых минералов выделяется группа ка-олинита и монтмо­риллонита.

Каолинит (Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O) — очень мягкий минерал (твердость 1) бе-лого цвета. Белые каолинитовые глины используют при производстве тонкой ке-рамики (фарфор, фаянс) и в качестве наполнителя в пластмассах.

Монтмориллонит представляет собой водный алюмосили­кат переменного хи-мического состава, содержащий кальций, натрий, магний и железо.

Кальцит (известковый шпат СаСО₃) — один из наиболее распространен-ных минералов в земной коре. В природе он встречается в виде кристаллов различ-ной формы (ромбоэдров, призм, пластин), но структура кристаллической решетки каль­цита всегда ромбоэдрическая. Кальцит хрупок, обладает со­вершенной спайно-стью по трем плоскостям. Плотность его 2700 - 2800 кг/м³. Твердость — 3,0. Он легко растворяется в кислотах с бурным выделением углекислого газа, а также в воде, богатой CO₂. При температуре выше 850 °С кальцит раз­лагается на СаО и СО₂ . Кальцит является основным породооб­разующим минералом таких пород, как мел, известняк, изве­стковый туф, входит в состав мрамора.

Магнезит (MgCO₃) по своим свойствам близок к кальци­ту, но встречает-ся значительно реже. Плотность 2900 кг/м³, твердость 3,5 - 4,0. В отличие от кальцита он растворяется в соляной кислоте лишь при нагревании. Магнезит обра-зует гор­ную породу того же названия.

Доломит (CaCO₃∙Mg CO₃) — довольно распространенный минерал, по свойствам занимающий промежуточное положе­ние между кальцитом и магнези- том. Доломит образует поро­ду того же названия, а также входит в состав известня-ков, мрамора и других пород.

Гипс (CaSO₄∙H,O) — мягкий минерал (твердость 2), в чис­том виде прозрач-ный, но обычно окрашен примесями в красно­ватый или розоватый цвет. Плот-ность 2300 кг/м³. Гипс заметно растворим в воде (2,05 г/л при 20°С). В природе встречается в виде горной породы того же названия. Он кристаллизуется в виде зерни-стых (алебастр) или волокнистых масс (селенит).

Ангидрит (CaSO₄) — безводная разновидность гипса. Плот­ность 2800 -3000 кг/м³, твердость 3 - 3,5. По внешнему виду по­хож на гипс. На воздухе в при-сутствии воды переходит в гипс с увеличением объема.

Важнейшие изверженные горные породы.

Свойства изверженных пород в значительной мере зави­сят от химического состава. В зависимости от содержания крем­незема в свободном и химически связан-ном состоянии эти по­роды подразделяются на кислые (SiO₂ > 65%), средние (SiO₂ — 50 - 65%) и основные (SiO₂ < 50%). Так как магма с одинако­вым хими-ческим составом могла отвердевать в глубине или изливаясь на поверхность, то ка-ждой глубинной породе мо­жет соответствовать аналогичная излившаяся порода. По мере увеличения основности горных пород, т.е. по мере перехода от гранита к габ-бро или от порфиров к диабазам, возрастают плотность, прочность, ударная вяз-кость, и цвет породы стано­вится темнее.

Глубинные породы. Граниты — наиболее распространен­ные из всех маг-матических пород на земле. Это глубинная кислая горная порода. В граните легко различить невоору­женным глазом три минерала: кварц (20 - 40%), полевые шпа-ты (40 - 70%) и слюды, мускавит и биотит (5 - 20%). Гра­ниты имеют ярко выра-женное зернистокристаллическое строение (рис. 3.1, а).

Рис. 3.1. Строение изверженных горных пород: а — зернисто-кристалли-ческое строение гранита (К — кварц; О — ор­токлаз; С — слюда); б — порфиро-вая структура (м.з. — масса мелких зерен; В — «вкрапленники»); в — очень по-ристое строение — пемза

Строительные свойства гранита можно характеризовать некоторыми сред-ними показателями; плотность 2600-2700 кг/м³ предел прочности при сжатии от 100 до 300 МПа, а на растяжение — 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Вследствие малой пористости и небольшого водопоглощения (0,1-1,0%) их моро-зостойкость больше 200 циклов. Цвет гранита зависит от цвета полевого шпата и бывает серым, голубовато-серым, темно-красным. Граниты широко применяются в строительстве.

Сиениты по минеральному составу отличаются от грани­тов отсутствием кварца (кристаллического SiO₂). Сиенит со­стоит в основном из калиевых и натри-евых полевых шпатов и темноокрашенных минералов (роговой обманки, авгита), ко­личество которых не превышает 15%. По структуре сиенит тождествен грани-ту, но в нем менее отчетливо выражена зернистость структуры и окраска его обыч­но несколько темнее. По прочности сиенит близок к граниту, но менее стоек к вывет-риванию, его плотность 2600-2800 кг/м³, пористость и водопоглощение незначи-тельны, он лучше под­дается полировке и обладает большей вязкостью по сравне­нию с гранитом.

Диориты состоят из полевых шпатов плагиоклазов (око­ло 75%) и темноок-рашенных минералов (роговой обманки и авгита). Цвет диорита серый или тем-но-зеленый (при боль­шом содержании темноокрашенных минералов) плотность 2880-3000 кг/м³. Предел прочности при сжатии 150-300 МПа. Диориты отлича-ются повышенной ударной вязкостью и ус­тойчивостью к выветриванию, имеют мелкозернистое и среднезернистое строение, хорошо полируются.

Габбро — глубинная основная горная порода состоит из полевых шпатов плагиоклазов (около 50%), темноокрашенного минерала авгита (реже роговая об-манка, оливин) и биотит. Структура габбро кристаллическая, крупнозернистая — цвет серый, от темно-зеленого до черного. Габбро весьма плотная и прочная поро-да плотностью 2900-3300 кг/м³, предел проч­ности при сжатии 200-250 МПа, стоек против выветривания, хорошо полируется.

Лабрадорит — одна из разновидностей габбровых пород, составной час-тью которой является минерал плагиоклаз — лаб­радор. Он хорошо полируется.

Представителями плотных излившихся пород являются порфиры, трахиты, андезиты, диабазы, базальты.

Порфиры подразделяют на кварцевый порфир (аналог гра­нита), бескварцевый порфир (аналог сиенита) и порфирит (ана­лог диорита). Свойства порфиров близки к свойствам анало­гичных им глубинных пород. Однако вследствие скрытокристалли-ческого или стекловатого строения основной массы и наличия вкрапленников стой-кость их против выветривания ниже глубинных.

Трахиты — излившиеся, сходные с сиенитом породы, но более пористые и легко поддаются выветриванию. По прочно­сти и морозостойкости они намного ус-тупают сиениту. Трахи­ты имеют серую или светло-желтую окраску.

Андезиты — по свойствам сходны с диоритами, но отли­чаются от них порфировой структурой. Они желто-серого цве­та и содержат больше темноокра-шенных минералов, чем тра­хиты.

Диабазы (аналоги габбро) — плотные кристаллические по­роды с зернами различной крупности. Состоят из полевых шпатов и темных минералов, имеют вы-сокую прочность на сжатие (до 450 МПа), обладают большой ударной вязкостью и малой истираемостью. Цвет диабазов темно-серый или зеле­новато-черный.

Базальты (аналоги габбро) — самые распространенные из­лившиеся поро-ды. В состав базальтов входят полевой шпат и значительное количество темноокра-шенных минералов. Базаль­ты имеют темно-серый или почти черный цвет. В зависи-мости от условий, при которых происходило остывание магмы, струк­тура базальта может быть стекловатой или скрытокристаллической, плотность их в среднем сос-тавляет 2900—3000 кг/м³.

Предел прочности при сжатии достигает 500 МПа. Однако при наличии трещин и пор значительно понижается, доходя до 100 МПа. Базальты очень твер-дые и хрупкие, что затруд­няет их обработку.

Излившиеся пористые породы: вулканические пеплы и пески — порошкообраз-ные частицы вулканической лавы, выброшен­ные в раздробленном состоянии. Бо-лее мелкие частицы, раз­мером до 1 мм, называют вулканическим пеплом, а более круп­ные зерна, до 5 мм — вулканическим песком.

Пемза — весьма легкая пористая порода ( рис. 3.1, в). Она встречается в природе в виде отдельных обломков, вели­чина частиц 5-30 мм. Благодаря нали-чию крупных и замкну­тых пор пемза не гигроскопична и морозостойка. Большая по­ристость пемзы (до 80%) придает ей низкую теплопроводность — (0,14-0,23 Вт/(м∙°С) и малую насыпную плотность (500— 600 кг/м³), предел прочности при сжатии невелик: до 2,4 МПа. Вулканические туфы — пористые породы, об-разовавшиеся из вулканических пеплов, которые уплотнялись в результате спе­кания массы, сохранившей достаточно высокую температуру или вследствие давления выше-лежащих слоев или цементации при­родными цементами. Вулканические туфы имеют пористое стро­ение и малую плотность. К наиболее уплотненным вулканичес­ким ту-фам относят трассы. Туфовая лава образовалась при попа­дании значительного количе-ства вулканических пеплов и песков в лаву. Это стекловидная пористая порода, но бла-годаря замкну­тым порам у нее малое водопоглощение и высокая морозостой­кость. Плотность 750-1400 кг/м³, предел прочности при сжатии 5-15 МПа. Теплопро-водность в среднем 0,35 Вт/(м∙°С). Вулка­нический туф обладает разнообразной окраской.

Важнейшие осадочные породы.

В составе литосферы на долю осадочных пород приходит­ся лишь около 5%, но они занимают около 70% площади зем­ной поверхности. В зависимости от ус-ловий образования осадочные породы подразделяются на три группы: механические отложения, хи­мические осадки, органогенные отложения.

Механические отложения образовались в результате раз­рушения других по-род под воздействием процесса выветрива­ния. Некоторые из них в последующем подвергаются цементированию при родными цементами, выпавшими из омываю-щих их раство­ров, образуя сплошные (цементированные) горные породы различ-ной плотности (песчаники, конгломераты, брекчии). Их строение см. на рис. 3.2, а.

Песчаники состоят из зерен кварцевого песка, сцементи­рованных природ-ным цементом. Например, карбонатами кальция, водным кремнеземом, глинис-тыми минералами. В зависимости от цементирующего вещества песчаники на­зы-ваются известняковыми, кремнистыми, глинистыми. Их цвет зависит от цвета це-ментирующего вещества. В извест­ковых песчаниках зерна песка сцементированы кальцитом и доломитом. Прочность и стойкость их средняя, плотность 2300-2500 кг/м³.

Рис. 3.2. Строение осадочных горных пород: а — песчаник: 1 — цементи-рующее вещество; 2 — зерна песка; б — известняк-ракушечник; в — диатомит.

Кремнистые песчаники состоят из кварцевого песка, це­ментированного вод-ным кремнеземом (минерал опал). Они обладают высокой стойкостью, в том числе и кислотостойкостью, высоким пределом прочности до 250 МПа, большой плот-ностью 2300-2600 кг/м³ и значительной твердостью.

Конгломераты состоят из сцементированных округлых, гладких зерен гра-вия, а брекчии — из сцементированных при­родных цементом остроугольных зе-рен природного щебня.

Химические осадки образовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в водные растворы в процессе разрушения горных пород (гипс, анги-дрид, магне­зит, доломит, известковые туфы).

Гипс — горная порода белого или серого цвета, состоит из минерала того же названия (CaSO₄ ∙ 2Н₂О). Гипс имеет плотность 2000-2300 кг/м³, предел про-чности при сжатии до 30 МПа и невысокую стойкость.

Ангидрит состоит в основном из минерала ангидрита (CaSO₄). По внешне-му виду мало отличается от гипса, цвет от голубовато-белого до серого с разны-ми оттенками.

Известковые туфы образовались в результате осаждения СаСО₃ из источни-ков подземных углекислых вод. Обычно они обладают малой прочностью и легко поддаются распиловке. Разновидность известкового туфа (травертин), образовавша-я­ся в результате выпадения из горячих источников СаСО₃, име­ет плотное мелкозер-нистое строение с прочностью при сжа­тии до 80 МПа.

Магнезит — порода кристаллическая (иногда аморфная), состоит в осно-вном из магнезита (MgCO₃), иногда содержит примеси углекислого кальция и железа. Цвет его обычно бе­лый, иногда желтоватый до бурого.

Доломит состоит в основном из минерала доломита (СаСО₃ ∙ MgCO₃) с приме-сью глины, окиси железа и др. Доломиты бы­вают зернистой, оолитовой и кристал-лической структуры. Цвет серый, желтоватый до бурого. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, их плотность 2200-2800 кг/м³, предел прочности при сжатии 150-200 МПа.

Органогенные породы образуются в результате отложения отмирающего рас-тительного мира и мелких животных орга­низмов в водных бассейнах.

К органогенным породам относят различные карбонатные и кремнистые гор-ные породы (известняки, мел, диатомит и трепел).

Известняки — широко распространенная на земле горная порода, состоя-щая главным образом из СаСО_г Кроме угле­кислого кальция известняки содержат примеси магнезита, а иногда кварца, глинистых, железистых и других соедине­ний. В основном известняки морского происхождения — уп­лотненные и сцеме-нтированные телесные остатки животных организмов (раковины, панцири и иглы морских ежей, мол­люсков и т.п.).

Цвет известняков белый или светлый с желтыми, серы­ми, красноватыми или бурыми оттенками в зависимости от содержания в них примесей. По структу-ре известняки раз личают на плотные, пористые, мраморовидные, ракушечники, оолитовые, землистые (мел).

Плотные известняки имеют среднюю плотность 2000-2600 кг/м³ и предел прочности при сжатии до 100 МПа, а по­ристые — среднюю плотность 900-2000 кг/м³ и предел проч­ности при сжатии от 0,4 до 20 МПа.

Мраморовидные известняки — переходные породы от из­вестняков к мра-морам. Они состоят из зерен кальцита, тесно связанных между собой небольшим ко-личеством карбонатного цемента. Мраморовидные известняки более плотные, чем обыч­ные, имеют большую среднюю плотность 2600-2800 кг/м³ и более высокий предел прочности при сжатии (60-180 МПа).

Известняк-ракушечник — пористая порода. Состоит из ра­ковин и панци-рей моллюсков, слабо сцементированных изве­стковым цементом, средняя плот-ность — 900-2000 кг/м³ и прочность при сжатии 0,4-15 МПа, имеет малую теп-лопро­водность и легко распиливается (рис. 3.2, б).

Мел — землистая порода, которая представляет собой за­твердевший мор-ской осадок, состоящий из мелких обломков кальцита, одноклеточных организмов и микроскопических ра­ковин. Цвет белый, обладает высокой дисперсностью.

Диатомиты — богатые аморфным кремнеземом породы. Рыхлые или зем-листые массы белого, желтого или серого цве­та, состоят из опала (SiO₂ ∙ п Н,О). Они образовались из мель­чайших водорослей диатомей, покрытых тонкой, проч-ной кремнистой оболочкой, а также из кремневых скелетов одно­клеточных живот-ных радиолярий и губок, между которыми осаждались глина и ил (рис. 3.2, в).

Трепел по внешнему виду, химическому и минеральному составу очень схо-ден с диатомитом, но он содержит аморф­ный кремнезем в виде мельчайших шари-ков опала, сцементи­рованных опаловидным цементом. В состав трепела входит та-кже небольшое количество скелетов диатомей, губок и ра­диолярий.

В диатомите и трепеле содержится до 75 - 96% активного кремнезема, их средняя плотность 350 - 950 кг/м³, теплопро­водность 0,17-0,23 Вт/(м∙°С).

С течением времени под давлением верхних слоев трепел превращается в плотную, прочную, трудно размокаемую по­роду — опоку.

Важнейшие метаморфические породы.

Мраморы образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких температур и огромного всесторонне­го давления. Они состоят из прочно сросшихся кристаллов кальцита, иногда с примесью доломита. Крис-таллические зерна мрамора, связаны непосредственным сцеплением кристал-лов без цементирующего вещества. Это придает ему высокую плот­ность и про-чность (иногда до 300 МПа) при средней плотнос­ти 2600-2800 кг/м³, водопогло-щение 0,1-0,7% и относитель­но высокую прочность на истирание. Цвет чисто-го мрамора белый, но в зависимости от примесей он может быть крайне раз-нообразным: красный, розовый — от примесей железис­тых соединений и мар-ганца, серый и черный — от примеси органических веществ и др. При нерав-номерном распределе­нии примесей мраморы приобретают окраску с разными узо­рами и прожилками (рис. 3.3, а).

Мрамор не рекомендуется применять для наружной отдел­ки зданий, так как под влиянием влаги, отрицательных тем­ператур, воздействием сернисто-го газа (содержащегося в воз­духе промышленных центров) он выветривается, теряет блеск, цвет его изменяется.

Рис. 2.3. Схематическое строение метаморфических горных пород: а — мрамор; б — кварцит; в — гнейс (сланцеватое строение).

Кварциты — метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными и сросшимися зерна­ми кварца. Кварциты очень стойки к выветриванию. Имеют очень высокий — до 400 МПа предел прочности при сжатии и среднюю плотность — 2500 - 2700 кг/м³. Вследствие большой твердо-сти (7 и выше) кварциты трудно обрабатываются. Цвет кварцита — белый, кра-сный, фиолетовый, темно-виш­невый (рис. 3.3, б).

Гнейсы образовались в результате перекристаллизации гра­нитов, гранодиори-тов, кварцевых порфиров и некоторых дру­гих изверженных пород при высокой те-мпературе и односто­роннем давлении. Поэтому гнейсы имеют сланцеватое строе­ние (кристаллы вытянуты в одном направлении), что обус­ловливает их анизатроп-ность. Сланцеватость облегчает добы­чу и обработку гнейсов, но уменьшает их проч-ность вдоль слоев и стойкость против выветривания (рис. 3.3, в).

Глинистые сланцы — плотная и твердая глинистая порода сланцевого строения. Они образовались из глин, сильно уплот­нившихся и частично перекрис-таллизовавшихся под большим односторонним давлением. В отличие от глин они не размо­кают в воде и при увлажнении, не обладают пластичностью. Цвет у них обычно темно-серый. Они очень долговечны, лег­ко раскалываются на тонкие ров-ные плитки.

Материалы и изделия из природного камня. Благодаря разнообразным свойствам: высокой прочности, долговечности, широкому диапазону декоративных возмож­ностей и неограниченным запасам природный камень с глубо­кой древности и по настоящее время имеет широкое примене­ние в строительстве. До наших дней сохранились древние мо­нументальные сооружения из природного камня в Египте, Гре­ции, Италии, России. Из него построено много зданий и со­оружений в Москве и других городах, ближнего и дальнего зарубежья; своеобразным музеем природного камня являют­ся станции Московского метро.

В соответствии с требованиями СНиП каменные материа­лы разделяют по плотности: на тяжелые плотностью более 1800 кг/м³ и легкие — менее 1800 кг/м³. По пределу прочности при сжатии (МПа) на марки: для тяжелых от 10 до 100, для лёгких — от 0,4 до 20. По морозостойкости на марки Мрз. 15 - 500 (тяжелые) и Мрз. 10 - 25 (легкие). По водостойкости на группы с коэффициен-том размягчения не ниже 0,6; 0,75; 0,9 и 1,0. В зависимости от назначения и ус-ловий применения они оцениваются также по твердости, истираемости и сопроти-вле­нию ударным нагрузкам (дорожные материалы), стойкости к различным хими-ческим воздействим.

По степени обработки природные каменные материалы, различают: грубо-обработанные (песок, гравий, щебень, бу­товый камень) и профилированные (пи-леные штучные кам­ни и блоки для стен, камни, плиты и профильные изделия для наружной и внутренней облицовки, полов, дорожного строительства).

Грубообработанные материалы получают при просеивании рыхлых пород на ситах соответствующего размера: песок — минеральные зерна от 5 до 0,14 мм; гравий — окатанные зер­на размером от 5 до 150 мм; щебень неправильной фор-мы размером от 5 до 150 мм, получаемые, главным образом, пу­тем дробления крупных кусков горных пород; дресва — при­родный щебень, бутовый камень (бут) — крупные куски не­правильной формы. Они применяются, в основном, для получения щебня. Камни и блоки для кладки стен изготовляют из пористых из-вестняков, вулканических туфов и других горных пород плотностью от 900 до 2000 кг/м³. Марки камней в зависимости от прочности горной породы могут быть от 4 до 50 МПа, водопоглощение допускается не более 30%, а коэф­фици-ент размягчения не менее 0,6.

Облицовочные плиты и профильные изделия изготовля­ют распиловкой или раскалыванием горных пород с после­дующей их обработкой для придания прави-льной формы, раз­меров и получения определенной фактуры лицевой поверхнос-ти. Поверхность облицовочных плит может иметь различ­ную фактуру: с ударной обработкой фактуру скалы с круп­ными буграми и впадинами, имеющей вид как при расколе горной породы; рифленую и бороздчатую, с правильным чередова-нием гребней и впадин глубиной от 0,5 до 2,0 мм; а также точечную — равно-мерно шероховатую с углублени­ями не более 2 мм.

При абразивной обработке можно получить более гладкие фактуры: пиле-ную глубиной бороздок ≤ 2 мм; шлифо­ванную — равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,5 мм; лощеную — гладкую бархатисто-матовую с выяв-ле­нием рисунка и цвета камня, но не имеющую блеска; полиро­ванную — гладкую с зеркальным блеском, полностью выяв­ляющую структуру и рисунок камня.

Для наружной облицовки зданий, гидротехнических со­оружений, долговеч-ных полов общественных зданий с ин­тенсивными потоками используют в осно-вном глубинные изверженные породы (граниты, сиениты, габбро и др.). Толщи-на тесаных и колотых плит для наружной облицов­ки 100 - 250 мм, пиленых — 20 - 80 мм. Пиленые плиты об­ладают большей атмосферостойкостью, чем теса-ные. Из тех же горных пород изготовляют и профильные детали (цокольные плиты и камни, детали порталов, карнизы, подоконные и угловые плиты), а та-кже элементы лестниц и площадок. Высокая долговечность облицовок из приро-д­ного камня в 5-8 раз сокращает трудовые затраты на их эксплуатацию по срав-нению со зданиями, отделанными цветными растворами.

Для внутренней облицовки применяют мраморы и мраморовидные извест-няки, ангидрит и другие хорошо распи­ливающиеся породы. Обычная толщина плит из мрамора 10 - 20 мм. Распиловка горных пород алмазными инструмента­ми позволяет получать плиты толщиной менее 10 мм, по­этому стоимость квад-ратного метра таких плит в 2 - 4 раза ниже обычных.

Материалы и изделия для дорожного строительства: бор­товые камни, брус-чатку и шашку — изготовляют, главным образом, из диабаза и гранита. Эти изде-лия разрешается при­менять только при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Морозостойкие и химически стойкие материалы и изде­лия применяют в виде камней правильной формы и фасонных плит, щебня и песка для бетонов и раство-ров, а также тонко­молотых порошков для мастик, замазок, шпатлевок и т.п.

Для материалов и изделий, работающих в условиях вы­соких температур, ис-пользуют базальт, диабаз, андезит, хро­мит. Для защиты конструкций зданий и ап-паратов от кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной кислот) при­меняют изделия из гранита, сиенита, диорита, базальта, крем­нистого песчаника, кварцита. Щелочную среду хорошо вы­держивают плиты и камни из плотных изве-стняков, доломи­тов, магнезитов, мраморов и известковых песчаников. Важ­ным условием службы каменных материалов в агрессивных средах является их высо-кая плотность. Для эксплуатации в этих условиях они должны иметь плотность не менее 2400 кг/м³ и предел прочности при сжатии не менее 30 МПа для оса-дочных пород и не менее 100 МПа для магматиче­ских, коэффициент размягче-ния 0,8 - 0,9, кислотостойкость не менее 93,0 - 95,0%.

Добыча и обработка каменных материалов. Технология производства каменных материалов и изделий включает добычу горной породы и ее обработку.

В камнеобрабатывающей промышленности принята сле­дующая классифика-ция горных пород.

Твердые породы — породы, в состав которых входят ми­нералы твердос-тью 6-7: гранит, габбро, кварцит.

Средние породы, состоящие из минералов, твердость ко­торых не выше 5. К ним относятся: мрамор, плотные извест­няки, доломиты, некоторые виды туфа.

Мягкие породы — небольшая группа пористых пород: из­вестняк-ракуше-чник, ангидрит, гипс, твердостью 2-3.

Рыхлые породы (песок, гравий, глина). Их добывают от­крытым способом, применяя экскаваторы или с помощью гид­ромеханизации.

Плотные горные породы, используемые для получения бута, щебня или сы-рья для других строительных материалов, обычно разрабатывают взрывным спосо-бом. Пористые поро ды (известняки-ракушечники, туфы), используемые для штуч­ных стеновых камней и блоков, разрабатывают специальны­ми камнерезными ма-шинами, основными режущими элемен­тами которых являются дисковые пилы, имеющие резцы, ар­мированные твердыми сплавами.

В ряде случаев для вырезки блоков из пород средней твер­дости применяют дисковые и цепные пилы, снабженные ал­мазными режущими насадками. Произво-дительность на по­родах средней твердости в 4-5 раз выше, чем на твердосплав­ном инструменте.

Обработка пород, предназначенных для облицовки, предусматривает сле-дующие операции: распиливание или раскалывание блоков крупных размеров (4-5 м) на плиты или другие формы изделий; обработка кромок и поверхнос­ти из-делий.

Шлифованную, лощеную и зеркальную фактуры получают на специальных шлифовально-полировальных станках. В камнеобработке достойное место начи-нают занимать современные методы обработки декоративного камня: уль­тразву-ковая обработка камня в абразивной среде; обработка камня токами высокой час-тоты; плазменная обработка по­род кристаллической структуры; обработка камня лазерами и квантовыми генераторами; перспективен способ обработ­ки камня вы-сокоскоростной водяной струей. Находят ис­пользование в процессе камнеобра-ботки промышленные работы (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Промышленный робот С-А для обслуживания распило­вочных станков.

В процессе добычи и обработки декоративного камня в ка­рьерах и на заводах образуется много отходов. Эти отходы находят разнообразное применение в строи-тельстве. Мелкие (5-20 мм) фракции дробленых отходов декоративных пород используют для создания отделочного слоя на бетонных сте­новых панелях.

Мраморные отходы применяют для изготовления мозаич­ных плит, для полов, лестниц внутри зданий.

Из отходов мрамора на основе цементного вяжущего (це­мент белый или цветной) или синтетических смол изготовля­ют крупные блоки, соответствую-щие по своему объему габа­ритам распиловочных станков. Плиты, получаемые после рас­пиловки и полировки поверхности, хорошо имитируют при­родный камень.

Коррозия природного камня и меры защиты от нее.

Непременным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной сре-ды, физико-минерального состава и структуры материала. Однако даже самые прочные породы при постоянном химическом воздействии атмосферных фак­торов и различных микроорганизмов разрушаются, т.е. про­исходит процесс выветривания. Основные причины выветри­вания природных каменных мате-риалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающее внутренние на­пряжения; чередующиеся изменения температуры и влажно­сти, вызывающие появление микротрещин, растворяющее действие воды. Активное влияние на разрушение природно­го камня оказывает химическая коррозия под действием га­зов (О₂, СО₂, SO₃ и др.), содержащихся в атмосфере, и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде. Различные мик­роор-ганизмы и растения (мхи, лишайники), поселяясь в порах и трещинах камня, извлекают для своего питания щелочные соли, выделяя при этом органичес-кие кислоты, которые, вза­имодействуя с некоторыми составляющими ком-понентами камня, вызывают его разрушение. Такой вид коррозии назы­вается биологическим разрушением.

Стойкость материалов против выветривания тем выше, чем меньше их пористость и растворимость. Поэтому все меро­приятия по защите каменных материалов от выветривания на­правлены на предохранение их от воздействия воды и на по­вышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть кон­ст-руктивными и химическими.

Конструктивно защиту от увлажнения осуществляют путем устройства надлежащих стоков воды, придания изделиям глад­кой поверхности и такой фо-рмы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

Физико-химические методы защиты природного камня сво­дятся к гидро-фобизации его поверхности кремнийорганическими жидкостями: уплотнению поверхностного слоя камня путем его пропитки мономером с последующей по-лимеризацией в по­рах при термокаталитической или радиационной обработке.

Для защиты карбонатных пород наиболее эффективным методом явля-ется флюатирование. В результате взаимодей­ствия с поверхностным слоем камня происходит следующая реакция:

2СаСО₃ + MgSiF₆ = 2 CaF₂ + SiO₂ + 2СО₂↑ + MgF₂.

Получающиеся новообразования практически нерастворимы в воде. Они отлагаются в порах, уменьшая пористость и смачи­ваемость поверхности, ско-рость капиллярного подсоса воды, кроме того, препятствуют загрязнению об-лицовки пылью.