Классификация горных пород по генетическому признаку

Основные группы горных пород
Магматические				Осадочные						Метаморфические
Глубин-ные	Излившиеся			Механические отложения		Химические осадки		Органогенные отложения		Видоизменен- ные магмати- ческие	Видоизменен- ные осадоч-ные
	Плотные	Пористые
		Рыхлые	Сцементи- рованные	Рыхлые	Сцементи-рованные
Граниты, сиениты, габбро, диориты	Базальты. порфиры, диабазы, андезиты	Вулка- ничес- кие пеплы, пемзы	Вулканиче ские туфы, лавы	Глины, пески, гравий	Песчаники, конгломе- раты, брекчии		Гипс, ангидрит, магнезит, доломиты, известняки, известковые туфы		Известняки, мел, ракушечник, диатомиты, трепелы	Гнейсы	Мраморы, кварциты, глинистые сланцы

Метаморфические горные породы образовались из магматических или осадочных в результате глубокого преобразования их под действием высоких температур, высоких давлений и химически активных веществ (растворов и газов). При этом менялся минеральный состав, строение, свойства, а иногда и химический состав исходной породы. Направленное давление вызывало деформацию кристаллов, образование сланцеватого (слоистого) строения и, как следствие, анизотропию свойств. Например, гнейс – слоистая порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации гранитов при одноосном давлении. Минеральный состав у гнейса, как у гранита, но кристаллы ориентированы в одном направлении. Слоистость гнейса облегчает его добычу и обработку, но снижает стойкость к выветриванию.

Технические требования к каменным материалам

Основными показателями качестваприродных каменных материалов являются предел прочности при сжатии (марка материала), средняя плотность, морозостойкость и водостойкость, характеризуемая коэффициентом размягчения. В особых случаях определяют также истираемость, износостойкость, сопротивление удару и другие показатели.

По средней плотностиприродные каменные материалы делят на тяжелые (>1800 кг/м³) и легкие (менее 1800 кг/м³). Попрочности на сжатие(кгс/см²) их делят на марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200, далее через 100 до марки 1000.

Марки природных каменных материалов по морозостойкости (количество циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии): 10; 15; 25; 50; 100; 200; 300 и 500. Градация покоэффициенту размягчения; 0,6; 0,75; 0,8; 0.9 и 1,0. Коэффициент размягчения камня (отношение предела прочности камня в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии), применяемого для фундаментов, дорожных покрытий, гидротехнических конструкций, должен быть не ниже 0,8, а для наружных стен зданий – не ниже 0,6.

Добыча, обработка и виды изделий из природного камня

Способ добычи природного камня зависит от условий залегания породы, ее твердости, прочности и трещиноватости. Основные способы добычи: взрывной, с помощью камнекольных инструментов, с помощью камнерезных машин и др.

По виду обработки природные каменные материалы делятся на грубообработанные каменные материалы и штучные изделия и профилированные детали.

Грубообработанные материалы:песок, гравий– окатанные (округлые) зерна размером от 5 до 150 мм, получаемые из рыхлых залежей рассевом;щебень – куски камня неправильной формы, получаемые дроблением горных пород с последующим рассевом;бутовый камень– крупные куски камня неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыванием из слоистых пород.

К изделиям из природного камняотносят колотые и пиленые плиты и камни различного назначения.Стеновые камнивыпиливают из мягких горных пород - пористых известняков, вулканических туфов, опок со средней плотностью не более 2100 кг/м³. Размеры основных типов камней: 390х190х188 мм, 390х190х288 мм, 490х240х188 мм. Каждый камень заменяет 8-16 кирпичей.

Наружная облицовка зданийвыполняется из плит и фасонных деталей из плотных и атмосферостойких пород, в основном из глубинных магматических или плотных известняков. Именно использование известняка для облицовки московских зданий дало Москве эпитет «белокаменная».

Внутренняя облицовка зданий производится плитами из пород средней твердости: мрамора, пористых известняков (ракушечника, травертина) и других. Пористые породы, кроме декоративного эффекта, обеспечивают хорошую акустику помещений, благодаря чему рекомендуются для зрительных залов.

Поверхность облицовочных плит может иметь различную фактуру.Ударной обработкойможно получить следующие фактуры:фактуру «скалы»с крупными буграми и впадинами;рифленуюибороздчатуюс правильным чередованием гребней и впадин глубиной от 0,5 до 2 мм;точечную – равномерно шероховатую с углублениями не более 2 мм.

Абразивной обработкойполучают:пиленуюфактуру с глубиной бороздок не более 1 мм;шлифованную– равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,5 мм;лощеную– гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком и цветом камня, без блеска;полированную– гладкую с зеркальным блеском, полностью выявляющую цвет и структуру камня.

Плиты для покрытия поладелают из твердых пород (гранит, сиенит и др.) с полированной (реже шлифованной) лицевой поверхностью. Пример использования таких плит – станции и переходы Московского метро. В помещениях с малой интенсивностью движения и высокими требованиями к декоративности могут использоваться плиты из мрамора. Толщина плит пола – не менее 20 мм.

Дорожные каменные материалы, учитывая крайне суровые условия работы, изготавливают из плотных, прочных, износостойких горных пород. К дорожным материалам относятся: бортовые камни, брусчатка, булыжный камень.Бортовые камни, отделяющие проезжую часть от тротуара, делают в основном из гранита и сиенита. Размеры их: длина 1000-2000 мм, ширина 100-200 мм, высота 300-400 мм.

Брусчатка– колотые или тесаные камни из магматических или плотных осадочных горных пород, имеющие форму, близкую к кубу. Брусчаткой вымощена Красная площадь в Москве. Это очень долговечное и декоративное покрытие улиц и площадей.

Булыжный и колотый каменьиспользуют для устройства верхних покрытий дорог 1У и У категорий, оснований под дороги, укрепления откосов земляных сооружений, для берегоукрепительных работ. Такие работы связаны с большими затратами ручного труда, поэтому булыжный камень сейчас применяется редко.

Каменные материалы для гидротехнических сооружений– защитные облицовки мостовых конструкций, шлюзов и плотин, устройство набережных и т.п. Для этих целей применяют плотные магматические породы (гранит, диабаз, сиенит и др.), обладающие высокой морозостойкостью (не менее 300 циклов) и износостойкостью.

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина - освобожденная от коры ткань древесных волокон, содержащаяся в стволе дерева.

В отличие от богатств земных недр лес восстанавливается и при рациональном пользовании может быть неубывающим источником сырья. По величине лесных массивов Россия занимает первое место в мире, однако это не значит, что можно неограниченно применять древесину. Лес определяет климатические условия в стране, сохраняет здоровье людей.

Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной переработки древесины. Наряду с традиционными материалами все шире применяют материалы из отходов древесины (горбыль, рейки, стружки, опилки и проч.) На передовых деревообрабатывающих комбинатах коэффициент использования древесного сырья доходит до 0,98.

Качество древесины зависит от породы. К хвойным породам, широко используемым в строительстве, относятся сосна, лиственница, ель, пихта и кедр. Лиственные породы используют значительно реже. Наибольшее применение из них имеют дуб, ясень, бук, береза, ольха.

Состав и строение древесины

По составу древесина представляет собой целлюлозу (С₆Н₁₀О₅)_n , где n>2500. Макромолекулы природного полимера - целлюлозы имеют сложное строение, эластичны и сильно вытянуты.

Строение древесины изучают на макро- и микроуровне. Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом. Макроструктуру изучают на трех основных разрезах ствола: поперечном (торцевом) – он делается перпендикулярно оси ствола, радиальном, проходящем вдоль оси ствола через его сердцевину, и тангенциальном, проходящем по хорде вдоль ствола. На этих разрезах можно различить следующие части ствола: сердцевину (тонкая полая трубка в самом центре – клетки первого года жизни дерева), кору, луб, камбий, годичные кольца, заболонь, ядро, сердцевинные лучи.

Под защитой коры и лубяного слоя у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток - камбий. Здесь происходит деление клеток древесины. Ежегодно с весны до осени камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола - клетки древесины.

Каждое годичное кольцо состоит из слоя ранней древесины, образовавшейся весной и в начале лета, и поздней, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина состоит из крупных тонкостенных клеток и на срезе выглядит светлой. Поздняя древесина имеет мелкие толстостенные клетки; она менее пориста, обладает большей прочностью и имеет темный цвет.

Ядро - это внутренняя часть ствола, примыкающая к сердцевине, состоящая из отмерших клеток, пропитанных у хвойных пород смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Эта часть ствола становится более твердой и менее склонной к загниванию. Более молодая древесина ближе к коре называется заболонью. Она состоит из живых клеток, по которым перемещаются питательные вещества и влага от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, легко загнивает, склонна к короблению.

Сердцевинные лучи состоят из клеток, вытянутых в поперечном направлении, и служат для создания запаса влаги и питательных веществ на зимнее время. Древесина легко раскалывается и растрескивается по сердцевинным лучам.

Микроструктуру древесины изучают под микроскопом. Основную массу древесины составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Исключение составляют клетки сердцевинных лучей. Поперечный размер клеток древесины 0,01...0,1 мм, длина 0,5-10 мм. Крупные сосуды (разросшиеся клетки) у лиственных пород могут достигать длины 2...3 м Оболочки клеток имеют сложное строение. У хвойных пород имеются межклеточные пространства, заполненные смолой - смоляные ходы.

Свойства древесины

Состав и строение древесины определяют ее свойства. К положительным свойствам древесины относятся малая средняя плотность (400-500 кг/м³), малая теплопроводность (например, у сосны теплопроводность поперек волокон составляет 0,17, вдоль -0,35 Вт/(м.⁰C), высокая прочность (R_сж=35-70 МПа; R_изг= 80-120 МПа). Пористость древесины составляет 50-75%, удельная прочность (по изгибу) достигает 200-230 МПа. Древесина химически стойка, обладает замечательной декоративностью, долговечностью и очень технологична.

К отрицательным свойствам древесины, ограничивающим ее применение, относятся анизотропия свойств – разные свойства по разным направлениям (следствие волокнистого строения), высокая гигроскопичность, склонность к короблению и растрескиванию, загниваемость, возгораемость, наличие пороков. Эти недостатки частично или полностью устраняются техническими мероприятиями.

Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее сортность или не имеет существенного значения.

Пороки древесины делят на несколько групп:

- пороки формы ствола (сбежистость – значительное уменьшение диаметра по длине ствола; закомелистость – резкое увеличение диаметра нижней комлевой части ствола; кривизна);

- пороки строения древесины (наклон волокон – косослой вызывает резкое снижение прочности древесины; свилеватость – расположение волокон в виде волн или завитков; крень – смещение сердцевины; двойная сердцевина);

- сучки – части ветвей, заключенные в древесине (сросшиеся и выпадающие сучки, разветвленные или лапчатые – наиболее опасные; здоровые);

- трещины (метик, морозные трещины, трещины усушки идут по сердцевинным лучам, отлуп – по годовым кольцам);

- грибные поражения и химические окраски – вызываются грибами, использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами;

- повреждения насекомыми – червоточины;

- покоробленности – нарушение формы пиломатериалов при изменении влажности древесины (поперечная, продольная и винтообразная покоробленность – крыловатость).

Зависимость свойств древесины от влажности

Влажность выражают в % от массы сухой древесины. В древесине различают:

- гигроскопическую влагу, связанную в стенках древесных клеток;

- капиллярную влагу, которая в свободном состоянии заполняет межклеточное пространство и полости клеток;

- химически связанную влагу.

Основную массу влаги составляют гигроскопическая и капиллярная.

Сухая древесина поглощает водяной пар из влажного воздуха, который поступает в стенки древесных клеток. Полное насыщение стенок клеток гигроскопической влагой соответствует влажности древесины около 30%. Эта влажность называется пределом гигроскопичности.

При увлажнении стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. При достижении предела гигроскопичности разбухание прекращается, деформации стабилизируются. Содержание свободной влаги на размерах древесины не отражается.

Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток. Вследствие неоднородности строения, древесина усыхает и разбухает в различных направлениях неодинаково, что и вызывает коробление и растрескивание лесных материалов.

Для предотвращения коробления и растрескивания древесину используют с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать 8-10%, для наружных конструкций 15-18%. Для защиты древесины от последующего увлажнения в процессе эксплуатации ее покрывают красками, лаками, специальными составами.

Равновесная влажность древесины зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности древесины пользуются специальной номограммой.

Свойства древесины (средняя плотность, деформации, прочность и др.) зависят от влажности, поэтому показатели свойств, полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%. Например, если известна равновесная влажность древесины(W_р) в момент испытания и предел прочности при этой фактической влажности (R^w), то прочность при стандартной влажности рассчитывается по формуле:

R¹² = R^w [1+ (W_р - 12)], где  - коэффициент, показывающий на сколько изменяется прочность при изменении влажности древесины на 1%. Значение  при сжатии и изгибе составляет 0,04, при смятии (сжатие поперек волокон) – 0,035.

Прочность древесины зависит от породы дерева, наличия пороков, места расположения древесины в стволе, направления волокон древесины, влажности и др. Она определяется на стандартных лабораторных образцах без пороков: при определении предела прочности при сжатии вдоль волокон размер образцов 2х2х3 см, при смятии – 2х2х6 см, при изгибе – 2х2х30 см и т.д.

Защита древесины от гниения и возгорания

Гниение древесины вызывается совместным действием следующих факторов: повышенная влажность, кислород воздуха, положительная температура, наличие спор дереворазрушающих грибов. Дереворазрушающие грибы питаются материалом стенок клеток – целлюлозой, разлагая ее с помощью ферментов до глюкозы:

(С₆Н₁₀О₅)_n + n Н₂О = n С₆Н₁₀О₅

Глюкоза в теле гриба используется в процессе его жизнедеятельности, и, в конце концов окисляется и превращается в углекислый газ и воду:

С₆Н₁₀О₅ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О.

Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки зрения путь защиты древесины от гниения – сухой режим эксплуатации (влажность древесины должна быть не более 15%). Если это невозможно, необходимо использовать антисептики - вещества, ядовитые для дереворазрушающих грибов.

Чаще других применяются водорастворимые антисептики, например, 3%-ный водный раствор NaF; растворы кремнефторида натрия или аммония. Маслянистые антисептики (например, антраценовое, каменноугольное, сланцевое масло), применяют для глубокой пропитки деревянных элементов, находящихся на открытом воздухе, в земле или воде (шпалы, части мостов, сваи, подводные сооружения и др.). Органорастворимые (Pinotex и проч.) - высокотоксичные для дереворазрушающих грибов антисептики, хорошо проникающие в древесину. Антисептические пасты, состоящие из водорастворимого антисептика, связующего вещества (битум, глина, жидкое стекло и др.) и наполнителя (торфяной порошок), применяют для защиты деревянных элементов зданий, увлажнение которых происходит в процессе эксплуатации (концы балок, столбов и др.).

Защита от возгорания осуществляется покрытием древесины огнезащитными составами и пропиткой антипиренами. Механизм действия огнезащитных красочных составов заключается в том, что при пожаре краска пузырится и образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Антипирены (от греч. pyr – огонь) – растворы солей и некоторых других веществ (хлористый аммоний, фосфорнокислые натрий и аммоний, сернокислый аммоний, бура), которыми пропитывают древесину. Механизм их действия основан на том, что одни из них при нагревании древесины создают оплавленную пленку, закрывающую доступ кислорода к древесине, другие - при высокой температуре выделяют негорючие газы, препятствующие горению.

Виды материалов, изделий и конструкций из древесины

Лесоматериалы:

- круглые лесоматериалы (бревна строительные и пиловочные - диаметр верхнего торца не менее 14 см, подтоварник - диаметр 8-13 см, жерди - диаметр 3-8 см. Оцилиндрованные бревна получают из обычных бревен обработкой их на токарном станке, в результате чего они приобретают цилиндрическую форму (без «сбега»);

- пиломатериалы (пластины - получают при продольном распиливании бревен на две половины), четвертины - распиливание по двум взаимно перпендикулярным диаметрам, доски, брусья, бруски, горбыль). Длина пиломатериалов от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м. Брусья имеют квадратное или прямоугольное сечение, толщину и ширину более 100 мм. Бруски имеют толщину менее 100 мм;

Полуфабрикаты и изделия из древесины:

- строганые и шпунтованные доски имеют на одной кромке шпунт, а на другой – гребень для плотного соединения элементов.

- фрезерованные изделия (плинтусы, поручни, наличники для обшивки дверных и оконных коробок, фальцованные доски - вагонка);

- паркет (штучный, щитовой, паркетная доска). Щитовой паркет имеет основание из досок или брусьев, на которое наклеен паркет из планок. Паркетные доски состоят из реечного основания с наклеенными паркетными планками;

- столярные изделия (оконные и дверные блоки, столярные перегородки, щитовые двери и др.);

Фанера - листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона. Шпон - тонкая непрерывная стружка, снимаемая с поверхности бревна на лущильных станках. Листы шпона в фанере располагают так, чтобы волокна древесины в смежных слоях находились во взаимно перпендикулярных направлениях. Так достигается изотропность материала при высоких прочностных показателях, характерных для цельной древесины без пороков. Толщина листов фанеры от 3 до 19 мм.

В зависимости от вида использованного клея и его водостойкости различают фанеру повышенной водостойкости (марка ФСФ на фенолоформальдегидном клее), средней водостойкости (марки ФК и ФБА соответственно на карбамидном и альбумин-казеиновом клеях), ограниченной водостойкости (марка ФБ на казеиновом клее). Декоративная фанера марки ДФ, облицованная шпоном из ценных пород (дуба, груши и т.п.), применяется для внутренней отделки стен, перегородок, дверных полотен, встроенной мебели. Для использования во влажных условиях и нагруженных конструкциях производится бакелитизированная фанера (марки ФБС и ФБ). Выпускаются также фанерные плиты (толщиной до 78 мм), применяемые для дверей, перегородок, встроенной мебели.

Столярные плиты толщиной до 50 мм (реечные щиты, оклеенные с обеих сторон шпоном) также применяют для изготовления дверей, перегородок, мебели и т.п.

Кровельные материалы для временных зданий выпускают следующих видов: стружка (длиной 40-50 см вдоль волокон, толщиной 0,3 см), дрань (длиной 40-100 см, толщиной 0,3-0,5 см), плитки деревянные и гонт (длиной 50-70 см, толщиной 1,5 см).

Сборные деревянные дома могут быть двух типов: с деревянным каркасом (из бруса, толстых досок и т.п.), заполненным каким-либо теплоизоляционным материалом (минеральной ватой, фибролитом и др.) и обшитым с внутренней и наружной сторон, и дома из бревен (обычных и оцилиндрованных) или деревянного бруса. Более совершенный вариант – дома из клееного бруса. Такой брус делают на заводе склейкой из 3-5 толстых досок («ламелей») таким образом, чтобы годовые кольца древесины в соседних ламелях были направлены в разные стороны. За счет этого клееные брусья не трескаются и не коробятся. На верхней и нижней гранях бруса фрезеруются шипы и ответные им пазы для простейшего получения плотного стыка

Клееные деревянные конструкции - крупноразмерные элементы (шириной 120-200 мм, высотой – до 1500 мм), полученные путем склеивания полимерными клеями небольших деревянных заготовок. Они отличаются меньшей массой, большей прочностью, водостойкостью, большей стойкостью к загниванию, меньшей возгораемостью, чем обычные деревянные конструкции. Технология клееных деревянных конструкций позволяет получить конструкции любого размера и формы, удалить из древесины дефектные участки (сучки, косослой и проч.), максимально полно использовать древесину, в том числе и «неделовую». Клееные деревянные конструкции превосходят по эффективности железобетонные, и во многих странах мира они рекомендованы для многоэтажных жилых и общественных зданий.

К несущим клееным конструкциям относят плоские конструкции - балки, фермы, рамы, арки, панели и пространственные – оболочки, купола и т.п. В качестве ограждающих конструкций используются панели размерами 3х1,5 м и 6х1,5 м с обшивкой из фанеры и другие конструкции.

Модифицированная древесина – цельная древесина с направленно измененными свойствами (прессованная древесина, пластифицированная аммиаком, модифицированная синтетическими смолами).

Материалы на базе неделовой древесины и отходов деревообработки – древесностружечные плиты ДСП, цементностружечные плиты ЦСП, древесноволокнистые плиты ДВП, фибролит и арболит. Древесноволокнистые плиты выпускаются в виде мягких плит для тепловой изоляции и в виде тонколистового прочного материала с гладкой поверхностью – твердые ДВП или оргалит. Оргалит используют для обшивки стен, потолков, при настилке полов и как основа сборных элементов покрытия пола – ламината. Оргалит не рекомендуется использовать во влажных помещениях, так как при контакте с водой он набухает и деформируется.

Для отделки помещений с влажным режимом эксплуатации (ванные комнаты, туалеты и т.п.) используют сверхтвердые ДВП плотностью 1100-1200 кг/м³, в состав которых вводят термореактивные смолы. Поверхности таких плит обычно окрашивают или ламинируют декоративными пленками.

Вопросы для самоконтроля к разделу 2

1. Как получают природные каменные материалы?

2. Что такое минерал, горная порода?

3. Как классифицируются горные породы?

4. Охарактеризуйте группу магматических (осадочных, метаморфических) горных пород.

5. Как происхождение горных пород влияет на их строение и свойства?

6. Каковы технические требования к каменным материалам?

7. Назовите и охарактеризуйте основные виды изделий из природного камня

по способу обработки.

8. Каков химический состав древесины?

9. Назовите основные элементы макро- и микроструктуры древесины.

10.Перечислите положительные и отрицательные свойства древесины.

11. Что подразумевается под пороками древесины?

12. Какие виды влаги различают в древесине и как свойства древесины зависят от влажности?

13. Как защищать древесину от гниения и возгорания?

14. Назовите и охарактеризуйте основные виды материалов, изделий и конструкций из древесины.