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 (15 – 75 %). 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 каменьполучают 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 40 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 –2200 кг/м³. Марка блоков по прочности должна быть не ниже 25 кгс/см².

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 окислов, 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 кислотостойкостью. 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 центробежно-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 подпрессовывают 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 «акмигран» 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/м³, коэффициент теплопроводности – от 0,035 до 0,040 Вт/м·^оС. Их применяют для тепло- и звукоизоляции как внутри помещения – наружных стен из штучных материалов (кирпича, ячеистых блоков), внутренних каркасных перегородок из гипсоволокнистых и гипсокартонных 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 (Al₂О₃) 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/м³ и теплопроводностью 0,046 – 0,08 Вт/м·С.

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 температуростойкостью, огнестойкостью и отражательной способностью. Насыпная плотность от 80 до 200 кг/м³, теплопроводность 0,05 – 0,07 Вт/м·С, 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 щелочестойкостью, 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