Тема 3. Природні кам’яні матеріали

Основні напрями використання кам’яних матеріалів у сучасному будівництві. Класифікація гірських порід за умовами їх походження: магматичні, осадові та метаморфічні гірські породи. Класифікація та характеристика матеріалів і виробів із природного каменю. Використання відходів видобування і обробки гірських порід. Проблеми довговічності та захист кам’яних матеріалів від корозії.

Основні напрями використання кам’яних матеріалів у сучасному будівництві.

Природними кам 'яними матеріалами називають матеріали і вироби, які одер­жують механічною обробкою (подрібненням, розколюванням, розпилюванням тощо) гірських порід, не змінюючи їхньої природної структури та властивостей. Серед будівельних матеріалів природні кам'яні матеріали займають одне з основ­них місць. Загальна частка затрат у будівництві на ці матеріали перевищує 20%.

В усьому світі розширюються галузі застосування природного каменю і, на думку спеціалістів, достойної заміни цьому матеріалу поки що не передбачається.

Гірські породи - це природні мінеральні утворення, які сформувались внас­лідок геологічних процесів у земній корі, відрізняються ступенем щільності, скла­даються з одного або кількох мінералів, характеризуються відносно сталим міне­ралогічним складом, певними будовою та властивостями і мають досить великі площі залягання. Залежно від кількості породотвірних мінералів гірські породи поділяють на мономінеральні, що складаються лише з одного мінералу, та полі-мінеральні - з двох або більше мінералів. Більшість гірських порід є поліміне-ральними.

Природні мінерали - це новоутворення, що відрізняються постійними хіміч­ним складом, структурою й властивостями та беруть участь у формуванні гірських порід.

У будівництві природні кам'яні матеріали застосовують з глибокої давнини, про що свідчать пам'ятки архітектури багатьох країн світу, у тому числі і нашої країни. І в наш час практично всі монументальні споруди виконуються з вико­ристанням природного каменю, що обумовлено його високою довговічністю і де­коративністю.

Залежно від виду обробки природні кам'яні матеріали бувають подрібнені (щебінь, висівки), колоті (бутовий камінь, шашка), пиляні (блоки, плити) та штучні вироби різного ступеня обробки.

У сучасному будівництві визначилися такі основні напрями використання згаданих матеріалів:

• штучне каміння та вироби для зведення стін будівель, улаштування під­лог, сходів тощо;

• облицювальні (декоративні) вироби - плити, каміння, профільовані вироби;

• каміння та вироби для дорожнього будівництва - брущатка, шашка для брукування, плити, бордюрний камінь;

• каміння та вироби різних типів для гідротехнічних та інших споруд;

• нерудні матеріали - бутовий камінь, заповнювачі для бетону (щебінь, гравій, пісок).

Гірські породи широко застосовують не лише для виготовлення кам'яних матеріалів, а й як сировину для одержання мінеральних в'яжучих речовин, кера-

мічних, скляних та інших виробів. При цьому під дією спеціальних технологіч­них процесів (випалювання, спікання, плавлення тощо) принципово змінюють­ся будова та властивості вихідних порід. Ці процеси детально розглядатимуться у відповідних розділах.

Надра України багаті на різноманітні гірські породи. Широко відомий Ук­раїнський кристалічний масив, що простягнувся більш ніж на 1000 км з північ­ного заходу на південний схід і займає територію площею більше 200 тис. км². На цьому масиві знаходяться багаті родовища кращих гірських порід світу: гранітів, габро, лабрадоритів, порфіритів, кварцитів.

Класифікація гірських порід за умовами їх походження: магматичні, осадові та метаморфічні гірські породи.

Утворення гірських порід пов'язане з геологічними процесами, які постій­но відбуваються у земній корі під дією різних сил. Ці рушійні сили поділяють на внутрішні (ендогенні) та зовнішні (екзогенні). Джерелом енергії ендогенних процесів значною мірою є внутрішня теплота Землі. Відомо, що із заглибленням в земну кору у середньому на 33 м температура зростає на ГС. Так, у свердловині завглибшки 4,5 км температура становить майже 130°С.

Для вивчення гірських порід їх поділяють на окремі групи. Найбільш поширеною є класифікація гірських порід за походженням, або генетична, відповідно до якої всі породи поділяють на три групи: вивержені, або магматичні (первинні), які утворилися внаслідок охолодження й затвердіння магми;

осадові (вторинні), які виникли в поверхневих шарах земної кори внаслідок руйнування первинних порід; метаморфічні (видозмінені), утворені з вивержених і осадових.

До найважливіших характеристик, за якими оцінюють властивості гірських порід, належить їхня радіоактивність, яка змінюється залежно від регіону, виду та геологічного віку породи. Встановлено, що для більшості гірських порід ефективна сумарна питома активність природних радіонуклідів А<,ф зі збільшенням геологічного віку збільшується

Магматичні породи

Магма являє собою високотемпературний силікатний розплав, що залежно від режиму охолодження може утворити:

• щільні кристалічні породи, якщо остигання магми проис­ходило повільно й під більшим тиском у глибині земної кори (глибинні магматичні породи);

• аморфні (склообразні) або слабо закристалізовані, а при наявності газу в магмі — пористі породи (магматичні породи).

Мінеральна сполука порід залежить від хімічного складу магми. Розрізняють магми кислі (зміст 5Ю₂ > 65 %), середні (зміст 5Ю₂ = 50...65 %) і основні (зміст 5Ю₂ < 50 %).

У гірських породах, що утворилися з кислої магми, обов'язково є присутнім кварц. Якщо порода утворилася з основної магми, у ній переважають темно пофарбовані железистомагнезиальні алюмосилікати. Практично у всіх вивержених кристалічних породах основна частка доводиться на польові шпати.

Вивержені породи

Вивержені, або первинні, гірські породи поділяють на масивні та уламкові. Масивні утворюються внаслідок охолодження й затвердіння вогняно-рідкої лави (магми) в надрах або біля поверхні землі, уламкові - здебільшого внаслідок вулканічної діяльності, тому їх називають також вулканічними.

Залежно від глибини остигання магми вивержені масивні гірські породи поділяють на глибинні, або інтрузивні, та вилити, або ефузивні.

Вивержені масивні глибинні породи. Ці породи утворилися внаслідок повільного і рівномірного охолодження магми під великим тиском. Магма охолоджувалася і залишалася на великій глибині у земній корі, шо сприяло утворенню у породах мінералів зернисто-кристалічної будови без цементуючої речовини (гранітна будова).

Основні властивості цих порід: масивність залягання, високі середня густи­на та міцність при стиску, незначне водопоглинання, істотна морозостійкість, ве­лика теплопровідність.

До вивержених глибинних порід належать граніт, сієніт, діорит, габро, лабрадорить.

Вивержені масивні вилиті породи. На відміну від глибинних порід вилиті утворилися внаслідок охолодження магми у вигляді лави на поверхні землі або близько до неї. Охолодження відбувалося більш швидко і менш рівномірно при відносно швидкому спаданні тиску або навіть при атмосферному тиску. Такі умови не сприяли утворенню крупних кристалів і замість них утворювалися нові генетичні структури: приховано-кристалічна, дрібнокристалічна або навіть аморфна (склоподібна). Внаслідок активного газовиділення в період формування можлива значна пористість вилитих порід.

Усі вилиті породи є аналогами описаних глибинних порід, тобто мають з ними спільний хімічний склад, але відрізняються за структурою. Існують давні й нові вилиті породи. До підгрупи давніх вилитих порід належать порфіри. Вони мають характерну порфіроподібну будову, тобто їм притаманна наявність крупних кристалів - порфіроїдів (вкраплень), які містяться в основній дрібнозернис­тій або склоподібній масі. Залежно від складу вкраплень, розрізняють кварцові порфіри (аналоги гранітів), ортоклазові порфіри (аналоги сієнітів), порфірити (аналоги діоритів). В останньому випадку вкраплення складаються з плагіоклазів. Через неоднорідність будови, порфіри менш стійкі до вивітрювання, ніж відповідні глибинні породи, менше здатні чинити опір стиранню, міцність їх менша. Середня густина порфірів становить 2400...2500 кг/м³, міцність при стиску — 120... 130 МПа; колір різний залежно від кольору основної маси і вкраплень (сірий, зеленуватий, коричневий тощо).

До підгрупи нових вилитих порід належать ліпарити (аналоги гранітів) та трахіти (аналоги сієнітів). Це, як правило, дрібнопористі, ніздрюваті породи з шорсткою поверхнею злому. Структура буває мікропорфірова з вмістом склоподібної фази. Забарвлення світле - біле, сіре, жовтувате; середня густина - майже 2200 кг/м³; міцність при стиску — 50...90 МПа. їх застосовують як стінові матеріали, щебінь для бетону. Родовища цієї групи порід знаходяться у Криму, Закарпатті, а також в Росії, Вірменії, Казахстані.

Андезити - також вилиті породи підгрупи нових, аналоги діоритів. Колір сірий, бурий, чорний; структура порфірова, вкраплення представлені переважно плагіоклазами. Частина з них має ніздрювату будову. Середня густина становить 2200...2700 кг/м³, міцність при стиску — 60...240 МПа. Застосування — кислототривкі плити, заповнювач для кислототривкого бетону. Серед відомих родовищ слід виділити родовища у Закарпатті, Росії та на Кавказі, у Німеччині.

Вилитими аналогами габрових порід є діабази (підгрупа давніх) та базальти (підгрупа нових). Це зазвичай дуже щільні породи. Перші мають дрібнокристалічну, другі — навіть склоподібну будову; колір темно-сірий, темно-зелений, чорний. Середня густина діабазів становить 3100 кг/м³, а базальтів - 3300 кг/м³, міцність при стиску, відповідно, 200...400 і 100...500 МПа. Мають велику ударну в'язкість і малу стираність, тому їх широко використовують у дорожньому будівництві. У зв'язку з низькою (порівняно з іншими породами) температурою плавлення їх застосовують для виготовлення литих кам'яних виробів (плити, труби тощо). Родовища діабазів і базальтів знаходяться в Рівненській та Закарпатській областях, а також в Росії, на Кавказі, у Німеччині, Великій Британії, Польщі.

Вивержені уламкові (вулканічні) породи. Ці породи можуть бути сипкими і зцементованими, тому їхні властивості змінюються в широких межах.

Сипкі порошкоподібні частинки (до 1 мм) називають вулканічним попелом, крупніші (до 5 см) — вулканічними пісками, а найкрупніші (до ЗО см) — пемзою.

Вулканічні попіл та піски переважно складаються з вулканічного скла й аморфного кремнезему (у пісках менше скла), насипна густина майже 500 кг/м³. Вони є активними мінеральними добавками, що зв'язують вапно в менш розчинні сполуки. З часів Стародавнього Риму такі добавки називають пуцолановими. Пісок є заповнювачем для легких бетонів і розчинів.

Осадові породи

Осадові, або вторинні, породи поділяють залежно від умов утворення на три групи: механічні відклади; хімічні осади; органогенні відклади рослинного (фітогенного) чи тваринного (зоогенного) походження. Внаслідок різноманітного походження структура і властивості осадових порід також досить різноманітні.

Характерні особливості осадових порід: шаруватість залягання (тому їх називають пластовими), у більшості випадків більш пориста будова і менша міцність, ніж у щільних вивержених порід.

Механічні відклади (уламкові породи). Механічні відклади утворилися внаслідок руйнування гірських порід різного походження. На відміну від вивержених порід вони менш однорідні.

Механічні відклади ділять на сипкі та зцементовані. Сипкі механічні відклади мають різноманітні мінералогічні склади, але їх розрізняють насамперед за крупністю зерен. Найкрупнішими є валуни (понад 300 мм) та булижники (150...300 мм). Гравій - це, як правило, обкочені зерна розмірами від 5 до 150 мм. Гострокутний гравій називають жорствою, або природним щебенем, на відміну від звичайного щебеню, який одержують подрібненням гірських порід на каменедробильних машинах. У природі часто зустрічаються родовища гравію зі значними домішками піщаних зерен. Такий матеріал називають гравійно-піщаною сумішшю. Піски є сипкою сумішшю кварцових, рідше польовошпатних та інших зерен розмірами від 0,16 до 5,0 мм. Дрібніші зерна (до 0,01 мм) називають пилуватими частинками: це нанесені вітром відклади - лес, а також найтонкіші відклади, нанесені водою — мул. Найбільш дисперсними є глини, розмір зерен яких не перевищує 0,005 мм. За хімічним складом це водні алюмосилікати з різними домішками.

Хімічні осади (хемогенні породи). Хемогенні породи утворилися внаслідок випадання в осад речовин, що перейшли у водний розчин під час руйнування гірських порід. Вони є наслідком зміни умов середовища, взаємодії розчинів різного складу і випаровування. До них відносять вапняки, вапнякові туфи, магнезити, доломіти, гіпси, ангідрити, барити.

Органогенні відклади. Фітогенні породи утворилися внаслідок відкладання панцерів морських водоростей.

Метаморфічні породи

Гнейси є найпоширенішими серед видозмінених вивержених порід. За мінералогічним складом, середньою густиною та міцністю вони подібні до гранітів, і яких і утворилися в умовах метаморфізму, але мають так звану сланцювату будову. Така структура полегшує видобування й обробку породи, але зменшує міцність уздовж шарів, знижує морозостійкість і стійкість проти вивітрювання. Застосовують гнейси здебільшого для укладання фундаментів, бутової кладки, брукування доріг, а використання у вигляді щебеню для бетону обмежується через непридатність форми зерен. Зазвичай гнейси залягають разом з гранітами. Зустрічаються проміжні породи - гранітогнейси.

Глинисті сланці - це щільні й тверді глинисті породи сланцюватої будови.

Вони утворюються з глин, що мають великий вміст домішок, завдяки яким в умовах метаморфізму набувають високої водостійкості та стійкості проти вивітрювання. Колір зазвичай - темно-сірий, коричневий, чорний. Істинна густина становить 2,7...2,8 г/см³; пористість — 0,3...3,0%; міцність при стиску -50...240 МПа. Легко розколюються по площинах сланцюватості на тонкі плитки (2...5 мм). Застосовують як покрівельний матеріал (шифер). Родовища в Україні знаходяться в Запорізькій області, Карпатах.

Мармури утворилися внаслідок перекристалізації вапняків, іноді доломітів під впливом високих температур і тисків. Складаються в основному з кальциту; їхня структура буває дрібно-, середньо- та крупнозернистою; колір різноманітний, з багатьма відтінками залежно від виду домішок, а саме: білий, сірий, жовтуватий, блідо-рожевий, червоний, бурий, зеленуватий, чорний, часто зустрічаються прожилки та візерунки. Найдовговічнішими є білі дрібнозернисті мармури.

Середня густина становить 2600...2800 кг/м³ (у доломітових до 2900 кг/м³); водопоглинання — 0,1...0,7%; міцність при стиску - 50...300 МПа. Легко розпилюються на тонкі плити, добре шліфуються й поліруються (особливо дрібнозернисті). Під дією атмосферних факторів, особливо в умовах сульфатної корозії, поверхня полірованого мармуру втрачає свій вигляд і зазнає помітного руйнування. Кварцити - це перекристалізовані в умовах метаморфізму кварцові пісковики, в яких зерна кварцу невіддільні від крем'янистого цементу.

Класифікація та характеристика матеріалів і виробів із природного каменю.

До виробів з природного каменю відносять колоті та пиляні вироби для мурування і облицювання стін, влаштування підлог, дорожніх покрит­тів, гідротехнічних споруд тощо.

Колоті та пиляні вироби для мурування і облицювання стін:

1 — облицювальні плити: а — тесані; б — пиляні; 2 — стінові блоки: а — колоті; б — тесані; в — пиляні

Каміння та блоки для укладання стін. Багато пористих гірських порід лег­ко розпилюються на камені та блоки правильної геометричної форми (прямокут­ні паралелепіпеди). Основні розміри каменів для зведення стін: 390x190x188 мм; 390x190x288 мм; 490x240x188 мм. Кожен такий камінь замінює 8...16 цеглин. Маса каменя не повинна перевищувати 16 кг, маса дрібного блока — 40 кг.

Каміння та блоки застосовують для зовнішніх стін, перегородок та інших частин будівель і споруд.

Застосовуючи великі стінові блоки розмірами до 3000x1000x1500 мм і масою до 1,5 т, можна знизити затрати праці на їхнє виготовлення та монтаж.

Каміння та блоки виготовляють з м'яких гірських порід (пористих вапня­ків, опок, вулканічних туфів), які повинні мати такі фізико-механічні показники: середню густину не більше 2100 кг/м³; водопоглинання за масою не більше 50% для вапнякових туфів і опок та не більше 30% для вапняків і вулканічних туфів; морозостійкість не менше 15 циклів; коефіцієнт розм'якшення не менше 0,6.

Облицювальні матеріали та вироби. Облицювальне каміння й плити, а також архітектурно-будівельні вироби виготовляють, розпилюючи блоки (напівфабрикати) або вдаючись до безпосереднього випилювання з масиву гірської породи. Можна виготовляти також колоті вироби (з некондиційних блоків).

Для зовнішнього облицювання використовують щільні атмосферостійкі породи (граніти, сієніти, габро тощо) або щільні вапняки, для внутрішнього облицювання — породи середньої твердості: мармури, пористі вапняки (травертин, черепашник), вулканічні туфи тощо. Пористі породи, крім декоративного ефекту, забезпечують добру акустику приміщень, тому їх застосовують для оздоблення театрів, кінотеатрів та інших громадських споруд.

Цокольні плити, а також деталі карнизів та інших частин будівлі, що виступають, виготовляють з атмосферостійких порід.

Влаштування покриттів підлог виконують полірованими (рідше шліфованими) плитами з твердих щільних порід (граніт, сієніт, лабрадорит тощо). В приміщеннях з малою інтенсивністю руху і високими вимогами щодо декоративності можливе використання мармуру. Товщина плит для підлоги має бути не менше 20 мм. Сходи облицьовують також твердими зносостійкими породами.

Матеріали та вироби для дорожнього будівництва виготовляють із щільних, міцних і зносостійких порід (граніту, діориту, габро, базальту), оскільки умови їх експлуатації надзвичайно суворі. До дорожніх матеріалів і виробів відносять: брущатий камінь; колотий і булижний камінь; тротуарні плити і бордюрне каміння.

Матеріали та вироби для дорожнього будівництва:

1 - бордюрний камінь: а - прямий; б - лекальний; в - для влаштування з'їзду;

2 - камінь для брукування: а - брущатка: б – шашка.

Брущатий камінь (брущатка, або бруківка) призначається для впорядкування покриттів проїжджої частини доріг. Має форму зрізаної піраміди з паралельними прямокутними верхньою та нижньою основами. Виготовляють брущатку з однорідних дрібно- й середньозернистих порід. З таких самих порід виготовляють і шашку для мозаїчного бруку.

Колотий і булижний камінь використовують для влаштування основ доріг, а також дорожніх покриттів, для укріплення схилів земляних споруд тощо.

Тротуарні плити виготовляють з шаруватих гірських порід. Вони мають форму прямокутної чи квадратної плити зі стороною 200...800 мм та рівною лицьовою поверхнею (товщина 40... 150 мм).

Бортове каміння, шо відокремлює проїжджу частину дороги від тротуару, виготовляють із щільних вивержених порід, яким притаманні високі морозо- і зносостійкість, а також міцність (граніт, сієніт). Залежно від способу виготовлення вони бувають пиляні й колоті.

Каміння для гідротехнічних споруд. Для річкових і морських гідротехнічних споруд застосовують каміння правильної та неправильної геометричних форм. Каміння неправильної форми - рваний камінь 'який одержують підриванням гірських порід), обкочений камінь (валуни, булижники), щебінь і гравій - використовують для влаштування камененакидних гребель, перемичок, дамб, берегоукріплень та інших споруд. Каміння правильної форми — колоте й пиляне — використовують для облицювання гребель, набережних, шлюзів. До всіх матеріалів ставляться підвищені вимоги не лише до міцності, а й щодо водо- та морозостійкості. Особливо несприятливими є умови експлуатації матеріалів у зоні змінного рівня води, де під час замерзання можуть утворюватися льодові скупчення, які спричинюють значні внутрішні напруження. Захисне облицювання в цій зоні виконують із щільних вивержених порід з водопоглинанням не більше 1%, міцністю при стиску не нижче 80... 100 МПа і морозостійкістю не менше 300 циклів (це граніти, сієніти, діабази та інші).