Глава 2. Природні кам’яні матеріали

2.1 Визначення і класифікація

Природними кам’яними матеріалами (ПКМ) називають матеріали, які одержують з гірських порід шляхом механічної обробки (дробінням, розсіюванням, розколюванням, розпилюванням, тесанням і ін.), внаслідок чого вони приймають певний розмір, форму і характер поверхні, або використовують без обробки.

Природні кам’яні матеріали застосовують в будівництві:

А) безпосередньо в природному виді:

– бутове та валунове каміння – для кладки фундаментів, стін та ін.

– гравій – у вигляді крупного заповнювача у бетонах.

Б) після механічної обробки:

– плити – для будівлі підземних колекторів і лицювання стін;

– бортовий камінь і брущатка – для улаштування доріг;

– щебінь – у вигляді заповнювача в бетонах;

В) як сировину для виготовлення штучних кам’яних матеріалів – кераміки, скла, теплоізоляційних матеріалів;

Г) як сировину для виробництва в’яжучих – гіпсу, вапна, цементу.

Природні кам‘яні матеріали класифікують за такими показниками:

а) за середньою густиною:

– легкі, до 1800 кг/­­­м­­³ (застосовують для стін);

– важкі, понад 1800 кг/м³ (застосовують для фундаментів, цоколів, облицювання та ін.).

б) за межею міцності при стиску (кГс/см²):

– легкі, 12 марок від 4 до 200;

– важкі, 10 марок від 100 до 1000;

в) за морозостійкістю, 8 марок від Мрз 10 до Мрз 200;

г) за коефіцієнтом розм’якшення;

д) за ударною міцністю;

е) за здатністю до стертя.

2.2 Гірські породи і породоутворюючі мінерали

Гірські породи - це речовини, які складають земну кору. Вони розрізняються за умовами утворення, структурними, фізичними і хімічними властивостями. Найбільш розповсюджена класифікація за умовами утворення гірських порід, згідно з якою існують 3 основні групи: вивержені (магматичні), осадові і метаморфічні (рис. 2.1 ).

Вивержені або магматичні (первинні) породи з’явились внаслідок охолодження і твердіння магми в надрах земної кори або на поверхні землі. Вони існують у масивному (скельному) або обламковому (пухкому, сипкому) вигляді.

Масивні глибинні (інтрузивні) породи утворилися внаслідок повільного охолоджування магми на великій глибині при значному тиску верхніх шарів. Ці умови сприятливі для зростання кристалів, тому такі породи характеризуються великою середньою густиною, високою міцністю (R_ст = 1000–3500 кг/см²) і морозостійкістю, теплопровідністю і малим водопоглинанням. Приклади таких порід: граніт, сієніт, діорит, габро, лабрадорит.

Масивні породи, що вилились (ефузивні), формувалися на невеликій глибині або навіть на поверхні землі за відсутності тиску і швидкого охолодження магми. В таких умовах розплав застигав у вигляді аморфної скловидної або дрібнокристалічної структури. Породи, що вилилися, за властивостями близькі до глибинних, хоча їхня міцність, звичайно, дещо нижче (R_ст = 400…3300 кг/см²). До цієї групи відносять базальти, діабази, порфіри, андезит.

Обламкові породи, що вилилися, пухкі і зцементовані, утворилися при виверженнях вулканів. Деякі з них пористі, що є результатом взаємодії часток магми з газами і парами. Якщо вони відкладалися у вигляді уламків, виникали пухкі відкладення – пемзи, вулканічні піски і попіли. Якщо вони злежувались з часом або потрапляли до розплавленої магми, то формувалися зцементовані породи – вулканічні туфи, траси.

Осадові породи утворилися внаслідок хімічних, фізико-механічних і біохімічних процесів в поверхневій зоні земної кори. Звичайно вони складаються з кремнезему в кристалічній і аморфній формі і водних алюмосилікатів, сульфатів, карбонатів. Їх класифікують за способом осадження на хімічні осади, механічні та органогенні відкладення.

Хімічні осади сформувалися за рахунок кристалізації солей з водних розчинів в замкнутих водосховищах. Це гіпс, доломіт, магнезит.

Механічні відкладення утворилися внаслідок накопичування продуктів руйнування або вивітрювання гірських порід (глина, пісок, гравій). А в деяких випадках за рахунок взаємодії з природними в’яжучими виникли зцементовані осадові породи – піщаники, конгломерати, брекчії.

Органогенні відкладення – вапняки, крейда, діатоміт, трепел – з’явилися внаслідок накопичування з наступним ущільненням, цементацією залишків флори і фауни (водоростей, коралів, губок, раковин, скелетів).

Метаморфічні породи сформувалися з вивержених осадових порід внаслідок їхнього вторинного перетворення під дією високих температур і великого тиску. В цих умовах змінювалися: структура, мінералогічний і хімічний склад порід. В будівництві частіше застосовуються такі метаморфічні породи як мармури, кварцити, гнейси, глинясті сланці.

Гірські породи являють собою механічне поєднання одного або декількох мінералів.

Мінерали – це речовини (хімічні елементи або хімічні сполуки), однорідні за хімічним складом, будовою і фізичними властивостями, з яких сформовані гірські породи. Мінерали в більшості своїй – тверді тіла кристалічні або аморфні. Прикладами твердих мінералів є: -кварц (SiO₂), каолініт (Al₂O₃^.SiO₂^.2H₂O), кальцит (CaSO₄^.H₂O) тощо. До рідких мінералів відносяться вода і ртуть. На сьогоднішній день зареєстровано більш 7000 найменувань мінералів.

Кожний мінерал має тільки йому притаманні ознаки, за якими його надійно відрізняють від інших. До цих ознак відносяться форма, хімічний склад, будова, густина, механічні властивості (твердість, міцність, спайність), оптичні властивості (колір, блиск, прозорість, світлоуламлення та ін.), теплові, електричні і магнітні властивості (табл. 2.1).

В природі практично немає хімічно чистих сполук. У більшості своїй тверді та рідкі мінерали містять різноманітні домішки. Але на зміну складу мінералів з однаковою структурою впливають не стільки механічні домішки, скільки ізоморфізм – здатність елементів замінювати один одного в хімічних сполуках з рівноформним (спорідненим) складом. Прикладом ізоморфізму є мінерал олівін, в якому атоми магнію і заліза взаємно заміщують один одного.

Існує і зворотне до ізоморфізму явище, коли речовини однакового хімічного складу утворюють мінерали з різними структурами. Це явище носить назву поліморфізму (багатоформності). Так, наприклад, кварц має дві модифікації альфа і бета, карбонат кальцію - теж дві: кальцит і арагоніт, хоча їх хімічні формули однакові: у випадку альфа- і бета-кварцу – SiO₂, а в разі кальциту і арагоніту – CaCO₃.

Показником поведінки мінералів при нагріванні є не тільки температура їх розм’якшення або плавлення, але й суттєва зміна об’єму при нагріванні. Мінерали, що мають невеликі коефіцієнти теплового поширення, поступово поширюються при нагріванні. І навпаки, мінерали, що мають нерівномірні температурні деформації, обумовлюють виникнення внутрішніх напруг. Це, в свою чергу, викликає зменшення густини, розтріскування і значне зниження міцності гірської породи, яку вони складають. Тому знання хімічного складу, властивостей і поведінки мінералів при нагріванні має велике практичне значення для прогнозування поведінки різних гірських порід в умовах пожежі.