6) Виды природных каменных материалов и их применение в строительстве

С незапамятных времен природный камень выступал одним из основных строительных материалов. Конечно, производство современных искусственных стройматериалов значительно вытеснило его. Но, в последнее время, наблюдается тенденция возвращения к природным каменным материалам, как к экологичным, надежным и красивым. Рассмотрим основные виды природных камней, широко используемых в строительстве.

Бут

Бутовый камень представляет собой крупные куски (размером 150-500 мм и весом 20-40 кг), имеющие неправильную форму. Его получают разработкой песчаников, доломитов, известняков (реже гранита и некоторых других изверженных пород). Камень носит название рваного, так как образуется при взрывных работах.  Бутовый камень должен иметь однородную структуру (без следов выветривания, трещин или расслоения), не содержать глинистых и рыхлых включений. Он широко применяется для бутобетонной и бутовой кладки подземных стен, фундаментов, отстойников, ледорезов, резервуаров и подпорных стен. Для кладки подходит бут в виде плит неправильной формы (постелистный бут или плитняк), получаемый выколкой из метаморфических и осадочных пород. Предел прочности камня (при сжатии) ≥100 кГ/с м² , морозостойкость – не ниже 15 циклов, коэффициент размягчения ≥0,75.

Булыжный камень

Применяется для покрытия дворов, мостовых, откосов, для каменной наброски дамб. Мелкий булыжный камень перерабатывается на щебень, крупный – применяется как бут. Методом околки из булыжного камня изготавливают специальные шашки, используемые для мощения оснований дорожных покрытий.

Гравий

Рыхлая крупнообломочная осадочная горная порода. Величина отдельных различно обкатанных зерен составляет 5-70 мм. Существует классификация гравия по фракциям. В строительстве гравий применяется в качестве крупного заполнителя в асфальтовых и цементных бетонах и в роли фильтрующего материала водопроводных сооружений.

Щебень

Смесь угловатых каменных обломков разной конфигурации (5-150 мм), изготавливаемая из различных пород.  Качество щебня определяется пределом прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии, показателями сопротивления удару и истираемости.  Щебень в строительстве применяется для приготовления асфальтобетонных и цементобетонных смесей.

Известняк

Известняк – это кристаллы кальцита разного размера из осадочной горной породы органического происхождения (реже хемогенного). Как строительный материал получил широкое распространение. Его мелкозернистые разновидности используются скульпторами в создании различных скульптур. Из известняка способом обжига получают негашеную известь. Кроме вышеописанных существуют ещё каменные материалы специального назначения (далее коротко о некоторых из них):

• Мрамор – податливый в обработке, оригинальный, умеющий принимать полировку материал(кристаллическая горная порода), широко применяется в облицовке;

 

• Гранит – лидирующий по надежности и эстетичности камень (магматическая горная порода);

 

• Песчаник – в основе материала кварцит, имеет предел прочности при сжатии 300-1000 кг/с м² , популярен в обустройстве ландшафтного дизайна;

 

• Доломит – осадочная горная порода (карбонатная), наиболее часто используется для обустройства каминов;

 

• Траверин – превосходит мрамор по прочности, известняк и доломит – по морозостойкости, широко используется в отделке;

 

• Базальт – плотной, пористой структуры магматическая горная порода, базальтовые волокна – отличный теплоизоляционный материал;

 

• Туф – представляет совокупность пород, идеален для возведения орнаментов зданий;

 

• Сланец – прекрасный облицовочный материал, подходит для мощения и устройства ландшафтных композиций;

 

• Яшма – используется в декорировании чаш, ваз, письменных принадлежностей.

7)

Горные породы и минералы

Горные породы - главный источник получения строительных материалов. Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и гипсовых. Горные породы - это природные образования более или менее определенного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела. Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной породы. Большинство минералов - твердые тела, иногда встречаются жидкие (самородная ртуть). В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы:  1) магматические породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы;  2) осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов выветривания и разрушения различных горных пород;  3) метаморфические породы, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления горных пород к изменившимся в земной коре физико-химическим условиям. Породообразующие минералы В настоящее время известно около 5000 минералов. В образовании же горных пород преимущественно участвуют 25 минералов. Основными породообразующими минералами являются кремнезем, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные, карбонаты, сульфаты. Минералы группы кремнезема. К минералам этой группы относят кварц. Он может находиться как в кристаллической, так и аморфной форме. Кристаллический кварц в виде диоксида кремния SiО2 - один из самых распространенных минералов в природе. Аморфный кремнезем встречается в виде опала SiО2 x NH2О. Кварц отличается высокой химической стойкостью при обычной температуре. Кварц плавится при температуре около 1700оС, поэтому широко используется в огнеупорных материалах. Минералы группы алюмосиликатов - полевые шпаты, слюды, каолиниты. Полевые шпаты составляют 58% всей литосферы и являются самыми распространенными минералами. Разновидностями их являются ортоклаз и плагиоклазы. Ортоклаз - калиевый полевой шпат - K2О x Al2О3 x 6SiО2. Имеет среднюю плотность 2,57 г/см3, твердость - 6-6,5. Является основной частью гранитов, сиенитов. Плагиоклазы - минералы, состоящие из смеси твердых растворов альбита и анортита. Альбит - натриевый полевой шпат - Na2О x Al2О3 x 6SiО2. Анортит - кальциевый полевой шпат – CaO x Al2О3 x 2SiО2.  Плагиоклазы входят в состав кислых и основных горных пород. Предел прочности полевых шпатов при сжатии составляет 120-170 МПа, что ниже прочности кварца. Они выветриваются под воздействием воды, содержащей углекислоту, в результате чего образуется каолинит. Слюды - водные алюмосиликаты слоистого строения, способные расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее часто встречаются два вида - мусковит и биотит. Мусковит - калиевая бесцветная слюда. Обладает высокой химической стойкостью, тугоплавка. Биотит - железисто-магнезиальная слюда черного или зелено-черного цветов. Водной разновидностью слюды является вермикулит. Он образован из биотита в результате воздействия гидротермальных процессов. При нагревании вермикулита до 750 °С теряется химически связанная вода, в результате чего объем его увеличивается в 18-40 раз. Вспученный вермикулит применяют в качестве теплоизоляционного материала. Каолинит - Al2О3 x 2SiО2 x 2H2О - минерал, получаемый в результате разрушения полевых шпатов и слюд. Залегает в виде землистых рыхлых масс. Применяют для изготовления керамических материалов. Железисто-магнезиальные силикаты. Минералами этой группы являются пироксены, амфиболы и оливин. К пироксенам относят авгит, входящий в состав габбро, к амфиболам - роговую обманку, входящую в состав гранитов. Оливин входит в состав диабазов и базальтов. Продукт выветривания оливина - хризотил-асбест. Эти минералы являются силикатами магния и железа и имеют темную окраску. Они обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Минералы группы карбонатов. К ним относят кальцит, магнезит, доломит. Они входят в состав осадочных горных пород. Кальцит - СаСО3 - имеет среднюю плотность 2,7 г/см3, твердость - 3. Вскипает при воздействии слабого раствора соляной кислоты. Входит в состав известняков, мраморов, травертинов. Магнезит - MgCО3 - имеет среднюю плотность 3,0 г/см3, твердость - 3,5-4. Вскипает от горячей соляной кислоты. Образует породу с тем же названием. Доломит - CaCО3 x MgCО3 - имеет плотность 2,8-2,9 г/см3, твердость - 3,5-4. По свойствам занимает среднее положение между кальцитом и магнезитом. Входит в состав мраморов. Образует породу с таким же названием. Минералы группы сульфатов - гипс и ангидрит. Гипс - CaSО4 x 2H2О - имеет среднюю плотность 2,3 г/см3, твердость - 1,5-2,0, цвета - белый, серый, красноватый. Строение - кристаллическое. Хорошо растворяется в воде. Образует породу - гипсовый камень. Ангидрит - CaSО4 - имеет среднюю плотность 2,9-3 г/см3, твердость - 3-3,5, строение - кристаллическое. При насыщении водой переходит в гипс.

8)

Непременным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава и структуры материала. Однако даже самые прочные породы, из которых выполнен материал, под механическими и химическими воздействиями атмосферных факторов и различных микроорганизмов разрушаются. Этот процесс по аналогии с разрушением металлов называют коррозией. Основной причиной коррозии каменных материалов в строительных конструкциях является физико-химическое воздействие воды. Это воздействие проявляется в растворяющей способности воды, особенно если она содержит растворенные газы (С02, S02 и др.); в замерзании воды в порах и трещинах, сопровождающемся появлением в материале больших внутренних напряжений. Кроме того, резкое изменение температуры приводит к появлению на поверхности камня, особенно из полиминеральных пород, микротрещин, которые становятся очагами разрушения. Различные микроорганизмы и растения (мхи, лишайники), поселяясь в порах и трещинах камня, извлекают для своего питания щелочные соли и выделяют органические кислоты, вызывающие биологическое разрушение камня.

Ясно, что стойкость каменных материалов против коррозии тем выше, чем они плотнее (меньше пористость) и меньше их растворимость. Поэтому все мероприятия по защите каменных материалов от коррозии направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.

Конструктивная защита от увлажнения осуществляется путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

физико-химические мероприятии заключаются в создании на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя и/или ее гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты (флю-атами), например флюатами магния.

В результате происходящей реакции: 2СаС03 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + Si02 + 2C021

в поверхностных порах камня выделяются практически не растворимые в воде фториды кальция, магния и кремнезем. Это уменьшает пористость и водопоглощение поверхностного слоя и несколько препятствует загрязнению облицовки пылью. Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки — содой, а затем флюатом.

Уплотнить поверхность камня можно также последовательной пропиткой растворимым стеклом и хлористым кальцием, в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция и кремнекислота, закрывающие поры. Эта же цель достигается при последовательной пропитке поверхности камня спиртовым раствором калийного мыла и уксусно-кислого алюминия. В этом случае на поверхности камня образуется нерастворимая пленка соли жирной кислоты.

Гидрофобизация, т. е. пропитка пористого каменного материала гиброфобными (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремний-органическими жидкостями и полимерными материалами, а также растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т. д.).