3.1.2. Материалы и изделия из горных пород

Добыча природного камня в зависимости от его прочности осущест­вляется в карьерах при помощи экскаваторов, если породы слабые (оса­дочные), или буровзрывным способом для разработки массивных плотных, прочных магматических и метаморфических пород.

В зависимости от места и глубины залегания добыча может вестись открытым, подводным или подземным способами.

Природный камень, доставляемый из карьеров, подвергают в зави­симости от назначения дальнейшей обработке: дроблению, распиловке, скалыванию, шлифовке и полировке.

В связи с большим разнообразием свойств, обусловленных их соста­вом и структурой, горные породы применяют в качестве нерудных строи­тельных материалов, конструкционных, отделочных и специального на­значения (кислотостойкие, теплоизоляционные и акустические).

Большой объем добываемых горных пород составляют так называе­мые нерудные строительные материалы. К ним относятся такие неорга­нические зернистые, сыпучие материалы, как щебень, гравий, песчано- гравийная смесь, песок. Их применяют в качестве заполнителей для бето­нов и растворов в качестве уплотняющего подслоя при выполнении до­рожных покрытий, балластного слоя железнодорожного пути, сооружения плотин, дамб, насыпей, засыпок при благоустройстве территорий.

Щебень - остроугольные обломки размером от 5 до 150 мм, обра­зующиеся при выветривании горных пород (природный) или получен­ные в результате их добычи буровзрывным способом и последующего дробления.

Гравий - продукт естественного разрушения и перемещения скаль­ных горных пород, представляет собой окатанные обломки размером от 5 до 150 мм. В зависимости от происхождения он может быть речным, озерным, морским и ледниковым.

Песчано-гравийная смесь состоит из песка размером до 5 мм и гра­вия (25 - 60 %). Основной объем добывают из русел рек, используют для изготовления цементных и асфальтовых бетонов, а также при строительст­ве дорог.

Песок размером от 0,14 до 5 мм может быть дробленым и природным в виде мелкообломочной рыхлой породы, добываемой открытым карьер­ным или гидромеханизированным способом выемки при речном залега­нии. В зависимости от назначения песка к нему предъявляют требования по размерам и химическому составу. Основными потребителями этого сы­рья являются производства по получению стекла, строительной керамики, бетонов и растворов, кровельных и гидроизоляционных материалов. Полу­ченные в результате многостадийного дробления горных пород щебень и пе­сок разделяют на фракции (по размерам), моют и отправляют потребителям.

К конструкционным материалам относятся бутовый камень, кам­ни и блоки стеновые, изделия для дорожного строительства.

Бутовый камень получают из осадочных пород взрывным способом и методом скола. В зависимости от назначения к. этому материалу предъ­являют требования по прочности - не ниже 10 МПа, морозостойкости и водостойкости (коэффициент размягчения не ниже 0,75). Бутовый камень весом до нескольких тонн применяют при строительстве гидротехниче­ских сооружений (дамбы, плотины), весом до 20 кг - для кладки фунда­мента и стен неотапливаемых зданий. Большой объем бутового камня пе­рерабатывают путем дробления на щебень для производства бетонных из­делий и конструкций.

Стеновые камни из горных пород получают методом распиловки и применяют для кладки наружных стен и перегородок.

Крупные блоки выпиливают с помощью механизмов из массива горных пород непосредственно в карьерах или нарезают из добытых пред­варительно блоков-заготовок. Кроме этого крупные блоки изготавливают методом кладки мелких стеновых камней на строительном растворе. При­меняемые породы: известняк, туф, доломит, песчаник плотностью 900 -

3 2

2200 кг/м . Марка блоков по прочности должна быть не ниже 25 кгс/см .

Для дорожного строительства применяют пиленые или колотые в виде бруса бортовые камни, отделяющие проезжую часть улиц от тротуа­ров, колотые и тесаные бруски брусчатки, применяемые для устройства мостовых, и колотый булыжный камень, используемый для укрепления откосов. Так как все эти изделия должны обладать достаточной прочно­стью и морозостойкостью, то их получают из плотных изверженных и оса­дочных горных пород (габбро, известняк).

Облицовочные пиленые материалы в виде шлифованных и полиро­ванных плит из гранита, лабрадорита, мрамора применяют для наружной и внутренней облицовки стен, покрытия полов, изготовления ступеней в об­щественных и уникальных зданиях.

При добыче облицовочного камня средний выход блоков-заготовок, подвергающихся последующей распиловке по размерам, составляет 20 %, остальную горную массу в виде некондиционных блоков и плит использу­ют для изготовления искусственных облицовочных материалов методом склеивания синтетическими смолами (эпоксидной, полиэфирной) или прессования с применением цемента. Отходы мелкой фракции поступают на строительные площадки для выполнения монолитных мозаичных полов, декоративных штукатурных растворов.

Природные каменные материалы, используемые в качестве дорож­ных, для возведения наружных стен, облицовки фасадов испытывают раз­рушающее действие воды в сочетании с морозом, кислых оксидов, содер­жащихся в атмосфере промышленных городов. Предохранить изделия от разрушения можно следующими способами: использовать конструктив­ную защиту, заключающуюся в придании открытой части здания (карниза, парапета) пологой формы, обеспечивающей слив воды; повысить плот­ность и гладкость поверхностного слоя изделия за счет шлифовки и поли­ровки; пропитать поверхность изделия на определенную глубину специ­альными уплотняющими составами (флюатами), затрудняющими проник­новение воды в поры материала; нанесением на лицевую поверхность из­делия гидрофобизирующих составов, придающих материалу водоотталки­вающие свойства; защитить поверхность изделия пленкообразующими по­лимерными составами (прозрачными или окрашенными).

К материалам специального назначения относятся кислото­упорные, теплоизоляционные и акустические.

Такие магматические горные породы, как базальт, андезит, диабаз, а также метаморфическая порода кварцит вследствие своего химического состава и стеклокристаллической структуры обладают высокой кислото- стойкостью. Это свойство используют при изготовлении тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, применяемых для футеровки про­мышленных установок и защиты строительных конструкций, работающих в условиях действия кислых сред.

Так как добыча и обработка природных каменных материалов связа­на с механическими воздействиями, то на поверхности изделий имеются многочисленные мельчайшие трещины, понижающие их прочность и дол­говечность. Вследствие этого более высокими эксплуатационными свойст­вами обладают искусственно полученные литые, каменные изделия (ка­менное литье). Производство каменного литья состоит из дробления гор­ной породы (базальта, диабаза), расплавления его в пламенных или дуго­вых электропечах при температуре 1350 - 1450 ^оС, заливки расплава в формы, кристаллизации и охлаждения изделий по определенному режиму. Таким образом получают плиты для облицовки полов, тротуаров, стен.

Мелкодробленые отходы используют в виде крупного и мелкого за­полнителя для получения кислотостойких бетонов и растворов, тонкомо­лотые - в качестве наполнителей кислотостойких мастичных и красочных составов.

К теплоизоляционным и акустическим относятся изделия, полу­ченные на основе минеральной ваты. Минеральная вата представляет со­бой механическую смесь искусственно полученных коротких волокон. Вследствие хаотического расположения волокна создают высокопористую структуру, обеспечивающую низкую теплопроводность, звукоизоляцию и эвукопоглощение. Минеральная вата не горит, не гниет, она малогигро­скопична, морозостойка и термостойка. Изделия на ее основе применяют для теплоизоляции как холодных, так и горячих поверхностей с темпера­турой до 400 ^оС.

В зависимости от вида сырья минеральная вата бывает каменная и шлаковая. Сырьем для производства каменной ваты служат горные поро­ды: диабаз, базальт, доломит, мергель. Шлаковую вату получают из до­менных, ваграночных и мартеновских шлаков, а также шлаков цветной ме­таллургии. Производство включает две основные технологические опера­ции: получение расплава в шахтных или ванных печах при температуре 1400 - 1500 ^оС и превращение его в тончайшие волокна. Для получения волокон применяют дутьевой или центробежный способ. При первом вы­ходящий из печи расплав разбивается на мелкие капли струей пара или воздуха под давлением. Капли, оседая, вытягиваются в полете и превра­щаются в тонкие волокна диаметром 10 мкм. При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстро вращающийся диск центри­фуги и под действием центробежной силы разбивается на капли, образую­щие волокна. Минеральную вату более высокого качества получают цен- тробежно-фильерно-дутьевым способом. Его технологическая особенность состоит в том, что расплав из печи поступает в емкость, в днище которой имеется большое количество мелких отверстий (фильер). Расплав прохо­дит через фильеры, превращаясь в тонкие струи диаметром 1 - 2 мм, кото­рые подают на центрифугу.

При использовании этой современной технологии в минеральной ва­те отсутствуют неволокнистые оплавленные включения, значительно уменьшается диаметр волокон до 5 мкм, что обеспечивает снижение сред­ней плотности и коэффициента теплопроводности изделий.

Для получения теплоизоляционных материалов в виде плит, матов образующееся волокно поступает в камеру волокноосаждения с движу­щимся транспортером. При производстве изделий без связующего (маты) для обеспыливания волокон вводят до 1 % замасливателя. Обработанные волокна образуют на транспортере полотнище ваты, которое подпрессовы- вают валиком и разрезают по размерам.

Для сохранения формы при транспортировке и монтаже маты, при­меняемые для теплоизоляции вентканалов, трубопроводов и промышлен­ных установок, выпускают с различными покрытиями: бумагой, алюми­ниевой бумагой и фольгой, армированные сеткой из катаной проволоки, защищенные стеклотканью и прошитые техническим шелком.

При получении теплоизоляционных и акустических плит связующие - синтетические смолы (фенольные, карбамидные), битумы, крахмал и их ком­позиции вводят в камеру волокноосаждения или перемешивают с волокнами в отдельных смесителях с последующим прессованием и выдерживанием для отверждения связующего по определенному температурному режиму.

Битум в виде эмульсии вводят в составы для обеспыливания мине­ральной ваты и придания изделию гидрофобных свойств. Как самостоя­тельное связующее битум применяют в производстве мягких, полужестких и жестких минераловатных плит. Эти изделия менее прочны, имеют боль­шую плотность по сравнению с аналогичными на синтетических связую­щих, но обладают высокими водоотталкивающими свойствами. При вы­пуске минеральных плит повышенной жесткости применяют комплексное связующее из карбамидных смол, битума и горячее прессование изделий.

В производстве акустических звукопоглощающих плит типа «акми- гран» используют крахмальное связующее либо более эффективные ком­позиции, например, поливинилацетатную (ПВА) водную дисперсию с фе­нолом или полиакриламидом. Плотность минераловатных плит в зависи­мости от вида применяемого связующего и степени прессования колеблет­ся от 35 до 250 кг/м , коэффициент теплопроводности - от 0,035 до 0,040 Вт/м-К. Их применяют для тепло- и звукоизоляции как внутри поме­щения - наружных стен из штучных материалов (кирпича, ячеистых бло­ков), внутренних каркасных перегородок из гипсоволокнистых и гипсокар- тонных листов, полов и перекрытий под бетонную стяжку, так и для на­ружной теплозащиты фундаментов, кровель, вентилируемых фасадов под облицовку, каркасных стен, ограждающих стеновых панелей с последую­щим оштукатуриванием поверхности плит по стеклосетке. При наружном использовании для исключения водопоглощения плиты пропитывают гид­рофобными составами. Звукопоглощающие изделия в отличие от тепло­изоляционных должны иметь высокую открытую пористость. Именно этот показатель характеризует эффективность применяемого материала. Для улучшения акустических свойств помещения, которые оцениваются чисто­той звука, плиты перфорируют или создают рельефную поверхность деко­ративным покрытием, исключающую отражение и наложение звука.

Для плит высокотемпературной изоляции (до 600 ^оС) используют минеральную вату с такими связующими, как цемент, глина, жидкое стек­ло. Поверхность с температурой 1100 - 1250 ^оС изолируют плитами, в со­став которых входит каменная вата, полученная по аналогичной техноло­гии из глинозема (А1₂О₃) и одного из связующих: жидкое стекло, глинозе­мистый цемент, огнеупорная глина, кремнийорганические соединения. Цилиндры из минеральной ваты используют для теплоизоляции трубопро­водов с температурой поверхности до 650 °С. Их выпускают без оболочки, в оболочке из бумаги, пропитанной битумом, или алюминиевой фольги в зависимости от температуры применения.

Минеральные теплоизоляционные материалы можно также получить путем вспучивания такого природного сырья, как перлит и вермикулит. Перлитом называют горную породу, состоящую из вулканического при­родного стеклорасплава, содержащего до 5 % кристаллизационной воды. При быстром нагреве дробленого материала до температуры 900 - 1200 °С вода переходит в пар и вспучивает (увеличивает объем более чем в 10 раз) размягченную породу, образуя шарообразные зерна с пористостью до 90 %, насыпной плотностью в зависимости от размера зерен от 75 до 500 кг/м и теплопроводностью 0,046 - 0,08 Вт/м-К.

Вспученный вермикулит получают аналогично, путем измельчения и кратковременного (3 - 5 мин) обжига во взвешенном состоянии в шахт­ных печах природного вермикулита, состоящего из гидрослюд, содержа­щих кристаллизационную воду. Резкое испарение воды приводит к увели­чению первоначального объема в 15 - 20 раз, в результате образуется лег­кий высокопористый материал чешуйчатой структуры, который обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, высокой температуростойко- стью, огнестойкостью и отражательной способностью. Насыпная плот­ность от 80 до 200 кг/м , теплопроводность 0,05 - 0,07 Вт/м-К, температура плавления 1350 °С. Перлит и вермикулит применяют в сочетании с мине­ральными (цемент, гипс, жидкое стекло) и органическими (битум, клей, высокомолекулярные смолы) связующими.

Изделия в виде плит, скорлуп, сегментов, кирпичей на неорганических вяжущих изготавливают методом полусухого прессования или пластичного формования в отдельных формах или на конвейере, пропуская формовочную массу через насадку определенной формы и размера, в виде непрерывного полотна или профильного изделия с последующей резкой по размерам.

Для значительного снижения плотности теплоизоляционных мате­риалов применяют формовочные смеси, содержащие избыток воды (мок­рый способ), которые поступают в фильтр-прессы или вакуум-фильтр- прессы, представляющие собой формы с перфорированным дном для уда­ления воды. Плотность изделий можно также уменьшить за счет введения в состав пено- или газообразующих добавок, обеспечивающих образование ячеистой структуры межзернового пространства.

Эти материалы применяют для теплоизоляции строительных конст­рукций, технологического оборудования и трубопроводов. Обжиговые из­делия получают смешиванием вспученных пород с огнеупорными глинами и добавкой ортофосфорной кислоты. Основное их назначение - тепловая защита технологического оборудования. Вспученный перлит и вермикулит используют для выполнения теплоизоляционных, звукопоглощающих и декоративных штукатурок. На основе перлитового песка и гравия произво­дят ограждающие стеновые конструкции и засыпочную теплоизоляцию пола, стен, крыши.

С этой же целью в строительстве применяют шунгизит - продукт обжига при температуре 1100 - 1600 °С шунгитовых углеродсодержащих пород с кислыми полевыми шпатами.

Асбест представляет собой природный минеральный волокнистый материал, способный в результате механической обработки расщепляться на тонкие и прочные волокна. Основным сырьем для получения промыш­ленного асбеста служит порода хризотил-асбест. Волокна обладают щело- честойкостью, огнестойкостью, высокой прочностью на растяжение и мо­дулем упругости. Предельное удлинение при разрыве составляет 2,5 %.

В зависимости от длины волокон асбест подразделяют на 8 сортов. При длине 0,2 - 2 мм материал в сочетании с глиной и жидким стеклом используют для огнезащиты металлических и деревянных конструкций, а также как добавку, повышающую прочность на растяжение и изгиб поли­мерных материалов, мастичных и красочных покрытий. Асбест с длиной волокон 2 - 8 мм применяют в качестве дисперсной арматуры при получе­нии асбестоцементных изделий (труб, листов, плиток) и рулонного огне­защитного материала - асбестового картона. Асбест с длиной волокон бо­лее 8 мм применяют для изготовления нетканых текстильных изделий, ко­торые, в частности, могут служить основой при получении рулонных кро­вельных материалов. Применение природных каменных материалов пред­ставлено в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Вид изделия	Используемые горные породы	Применение в строительстве
1	2	3
Нерудные строительные материалы
Щебень природный и дробленый фракции 5 - 150 мм	Известняк, доломит, гранит, базальт	Заполнители для бетонов, вы­полнение дорожных покрытий, строительство гидротехнических сооружений
Гравий природный, фракции 5-150 мм
Песок природный (кварцевый) и дроб­леный фракции 0,14 - 5 мм		Сырье при производстве стекла, строительной керамики, запол­нитель для бетонов, растворов
Песчано-гравийная смесь (природная)		Дорожные покрытия, цементные и асфальтовые бетоны
Конструкционные материалы
Камни бутовые, пи­леные и колотые	Плотный известняк, доломит, песчаник, гранит	Фундаменты малоэтажных зданий
Камни тесаные и пи­леные, крупные блоки	Известняк-ракушечник, туф вулканический	Наружные стены отапливаемых зданий
	Плотный известняк, доломит, песчаник	Стены неотапливаемых зданий и помещений (склады, подвалы)
Камни бортовые, пи­леные, колотые и бу­лыжные; брусчатка	Песчаник, плотный известняк, гранит, диабаз	Ограждение дорог, дорожные покрытия
Отделочные материалы
Плиты пиленые (шлифованные, поли­рованные) и колотые	Гранит, мрамор, кварцит, ба­зальт, лабрадорит, туф, известняк-ракушечник, глини­стые сланцы, гнейсы	Внутренняя и наружная отделка стен(колон)
Плиты искусственные декоративные на це­ментном и полимер­ном связующих	Гранит, мрамор, известняк	Облицовка стен и пола
Штукатурные декора­тивные составы на цементных, гипсовых и вододисперсионных полимерных связую­щих (акриловых, ла- тексных)	Дробленый песок из гранита, мрамора, кварцита и др.	Декоративная отделка стен
Плиты пиленые, шлифованные и полированные	Гранит, мрамор, известняк, брекчии, конгломераты	Лестницы и площадки, полы
Плиты колотые	Глинистые сланцы, гнейсы	Кровельные материалы (природный шифер)

Применение природных каменных материалов в строительстве

1

3

2

Материалы специального назначения Антикоррозионные

Плиты, бруски, кир­пичи тесаные, пиленые

Базальт, андезит, диабаз

Плиты литые

Щебень, песок

Тонкомолотый наполнитель

Защита от действия кислот стен, полов, промышленного оборудо­вания

Защита от действия кислот стен, полов, промышленного оборудо­вания

Получение кислотостойких бетонов, растворов

Производство кислотостойкого цемента, мастик, красочных со­ставов

Теплоизоляционные, акустические и огнезащитные материалы

Рыхлые зернистые материалы

Вулканическая пемза, перлит, вермикулит

Засыпочная теплоизоляция полов, стен, крыш

Штукатурные соста­вы с использованием минеральных и поли­мерных связующих

Асбест

Штукатурные соста­вы на неорганических вяжущих (гипс, гли­на, жидкое стекло)

Рулонный материал

Монолитная тепло- и звукоизо­ляция внутренних поверхностей стен, потолков и полов

Огнезащитные покрытия для ме­таллических и деревянных не­сущих конструкций

Асбестовый картон для огнеза­щиты строительных конструк­ций и технологического обору­дования

Перлит, вермикулит

Плиты на неоргани­ческих (цемент, гипс, жидкое стекло, глина) и полимерных свя­зующих

Теплоизоляция строительных конструкций и технологического оборудования

Скорлупы, сегменты, кирпичи на неоргани­ческих вяжущих

Крупноразмерные плиты

Перлит

Теплоизоляция технологическо­го оборудования, труб

Ограждающие стеновые конст­рукции

Плиты и маты мягкие, армированные, про­шивные, с защитным покрытием

Минеральная вата из горных пород (доломит, мергель, ба­зальт)

Теплоизоляция вентканалов, трубопроводов, промышленного оборудования

Плиты полужесткие на битумном связую­щем

Тепло- и звукоизоляция фунда­ментов, полов, перекрытий, кро­вель

Окончание табл. 3.1

1

3

2

Плиты жесткие на синтетическом свя­зующем с гидрофоб­ной пропиткой

Плиты жесткие на синтетическом свя­зующем с гидрофоб­ной пропиткой

Выполнение тепло- и звукоизо­ляционного слоя в каркасных стенах и многослойных стено­вых панелях

Внутренняя и наружная тепло- и звукоизоляция стен

Плиты повышенной жесткости на синте­тическом связующем гофрированной структуры

Минеральная вата из горных пород

Теплоизоляция ограждающих конструкций: стеновых панелей, перекрытий, покрытий из про­филированного металла или железобетона

Плиты твердые, ци­линдры, сегменты, на минеральных свя­зующих (цемент, гли­на, жидкое стекло)

Плиты твердые на минеральных вяжу­щих (жидкое стекло, огнеупорные глины, глиноземистый цемент)

Каолиновая вата из глинозема

Высокотемпературная изоляция трубопроводов и оборудования с температурой поверхности до - 600 ^оС

Высокотемпературная изоляция трубопроводов и оборудования с температурой поверхности до - 1100 - 1250 ^оС

Акустические плиты на клеевых и водо- дисперсных полимер­ных связующих (ПВА, латексных, ак­риловых) перфориро­ванные и с рельефной декоративной поверхностью

Минеральная вата из горных пород

Улучшение акустических свойств помещения