Природные каменные материалы. 4

Природные каменные материалы

1. Общие сведения

Природные каменные материалы  – материалы, получаемые механической обработкой или без специальной  обработки горных пород.

Горные породы – значительные по объему скопления различных минералов  в земной коре, образовавшиеся под  влиянием одинаковых условий.

Минерал – природное тело, одинаковое по химическому составу, строению и химическом свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов, происходящих в земной коре.

Свойства минералов оцениваются, в основном, по показателям: 

• твердость; 
• прочность; 
• плотность; 
• химический состав; 
• оптические свойства; 
• тепловые свойства; 
• электрические свойства; 
• магнитные свойства.

Механическая обработка:  

• раскалывание; 
• распиливание; 
• дробление.

Таким способом получают: 

• облицовочные плиты; 
• камни и блоки для кладки стен; 
• бутовый камень, щебень.

Широко используются в  современном строительстве: 

• прямое использование – облицовка зданий и инженерных сооружений; возведение стен зданий; устройство лестниц и настилка полов; заполнители для бетонов и растворов; в дорожном и гидротехническом строительстве; 
• в промышленности строительных материалов для получения других материалов: керамики, вяжущих веществ, стекла и др. При таком использовании изменяются строение, состав и свойства исходных горных пород.

2. Горные породы  и породообразующие минералы

Изучение свойств природных каменных материалов основывается на классификации горных пород, учитывающей их происхождение (генезис).

По генетической классификации, горные породы делятся на три основные группы: 

• изверженные или магматические (первичные); 
• осадочные (вторичные); 
• метаморфические (видоизмененные). См. табл. 1.1.

Табл. 1.1.

Генетическая классификация  горных пород

Магматические породы (первичные)	Массивные: глубинные: граниты, сиениты, диориты, габбро; излившиеся: порфиры, андезиты, трахиты, диабазы, базальты Излившиеся пористые: рыхлые: вулканические пеплы, пемзы  и др.; цементированные: вулканические туфы, трассы, туфовая лава.
Осадочные породы (вторичные)	Механические отложения: рыхлые: пески, гравий, глины, природный  щебень цементированные: песчаники, конгломераты, брекчии. Химические осадки: некоторые виды известняков, известняковые  туфы, магнезиты, доломиты, гипс, ангидрит. Органогенные отложения: мел, большинство известняков, трепелы, диатомиты, опоки.
Метаморфические (видоизмененные) породы	Измененные изверженные породы: гнейсы (из гранитов). Измененные осадочные породы: глинистые сланцы (из глин), мраморы (из известняков), кварциты (из песчаников).

3. Породообразующие  минералы

Породообразующие минералы – те, из которых главным образом  состоят горные породы.

В природе найдено и  изучено более 2000 минералов, но лишь 50 из них являются породообразующими.

Краткая характеристика основных породообразующих минералов.

Минералы группы кремнезема  - ряд минералов, представляющих собой модификацию двуокиси кремния: 

• кварц; 
• опал; 
• халцедон.

Полевые шпаты (алюмосиликаты  натрия, калия, кальция) – наиболее распространенные в природе минералы  по массе горных пород:  

• граниты; 
• диориты; 
• габбро; 
• андезиты; 
• сиениты.

Железисто-магнезиальные  силикаты: 

• габбро; 
• базальты; 
• диабазы.

Слюда – группа минералов, представляющие алюмосиликаты слоистой структуры и обладающие совершенной спайностью в одной плоскости.

Асбест – группа минералов, представляющие водные силикаты магния и железа, образуют агрегаты, сложенные тончайшими гибкими волокнами, которые легко расщепляются на составляющие их волокна.

Глинистые минералы – группа водных силикатов алюминия - составляют основную массу глин, самый распространенный из которых каолинит . Белые каолинитовые глины используют при производстве тонкой керамики  - фарфор, фаянс.

Кальцит (известковый  шпат ) – один из наиболее распространенных минералов в земной коре. Кальцит основной породообразующий минерал таких пород, как мел, известняк, известковый туф, входит в состав мрамора.

Магнезит - близок по свойствам к кальциту, но встречается значительно реже.

Доломит - по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже.

Гипс  - мягкий минерал, кристаллизуется в виде зернистых (алебастр) и волокнистых масс (селенит).

Ангидрит  - безводная разновидность гипса.

4. Важнейшие изверженные  породы

Глубинные породы.

Граниты – наиболее распространенные из всех магматических пород на земле. Глубинная горная порода. Имеет ярко выраженное зернокристаллическое строение (рис. 1.).

 а.       б.

Рис. 1. а. - зерно-кристаллическое строение гранита (К – кварц; О – ортоклаз; С – слюда; б – применение гранита

Строительные свойства гранита: , , , морозостойкость > 200 циклов.

Габбро – глубинная горная порода, структура кристаллическая, крупнозернистая (рис. 2.), , .

 а.       б.

Рис. 2. а. – габбро, структура  кристаллическая, крупнозернистая; б  – применение габбро

Диориты - , . Повышенная ударная вязкость, устойчивость к выветриванию, хорошо полируется (рис. 3.).

 а.        б.

Рис. 3. а- диориты; б – Алупкинский (Воронцовский) дворец.

Порфиры – свойства порфиров близки к свойствам аналогичных им глубинных пород (например, кварцевый порфир), однако вследствие скрытокристаллического или стекловатого строения основной массы и наличия вкрапленников стойкость их против выветривания ниже глубинных (рис. 4.).

 а.       б.

Рис. 4. а - порфировая структура (м.з. – масса мелких зерен; В – «вкрапленники»; б-б применение порфира

 
Диабазы (аналоги габбро) – плотные кристаллические породы с зернами различной крупности (рис. 4.5.). , обладают большой ударной вязкостью и малой истираемостью.

 а.       б.

Рис. 5. а – структура  диабаза; б – применение диабаза

Базальты (аналоги  габбро) – самые распространенные излившиеся породы (рис. 6.). В зависимости от условий, при которых происходило остывание магмы, структура базальта может быть стекловатой или скрытокристаллической, , . Однако, при наличии трещин и пор значительно понижается, доходя до . Базальты очень твердые и хрупкие, что затрудняет их обработку.

 а.     б.    в.

Рис. 6. а – месторождение  базальта; б – камень из базальта; в – утеплитель на основе базальта 

(Слайд №7). Излившиеся пористые породы: вулканические пеплы и пески - порошкообразные частицы вулканической лавы, выброшенные в раздробленном состоянии. При размере частицы  -вулканический пепел,  - вулканический песок (рис. 7.).

 а.            б.

Рис. 7. а. – вулканический  пепел; б – вулканический песок

Пемза – легкая пористая (до 80 %) порода, благодаря наличию крупных и мелких замкнутых пор не гигроскопична и морозостойка (рис. 8.). Обладает низкой теплопроводностью , малой насыпной плотностью , .

а.       б.

Рис. 8. а - пемза; б – пористая структура пемзы

5. Важнейшие изверженные  породы

В составе литосферы на долю осадочных пород приходится ≈ 5 %, занимают ≈ 70 % площади земной поверхности.

В зависимости от условий  образования осадочные породы подразделяются на три группы: 

• механические отложения; 
• химические осадки; 
• органогенные отложения.

Механические  отложения образовались в результате разрушения других пород под воздействием процесса выветривания. Наиболее характерные из них следующие:

Песчаники – состоят из зерен кварцевого песка, сцементированные природным цементом (карбонатом кальция, водным кремнеземом, глинистыми минералами) (рис. 9.). В зависимости от цементирующего вещества песчаники бывают: известняковыми, кремнистыми, глинистыми. . Наиболее прочные и износостойкие кремнистые песчаники.

 

а.       б.

Рис. 9. а – кремнистый песчаник; б – отделочные материалы из песчаника

Конгломераты – сцементированные округлые, гладкие зерна графия; брекчии – сцементированные природным цементом остроугольные зерна природного щебня (рис. 10.).

а.     б.     в.

Рис. 10. а – конгломераты; б – брекчии; в – применение конгломератов и брекчии

Химические осадкиобразовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород (гипс, ангидрид, магнезит, доломит, известковые туфы).

Гипс  – горная порода белого цвета. ,  (рис. 11.).

а.        б.

Рис. 11. а- природный гипс; б – изделия из гипса

Ангидрит  - безводный гипс (рис. 12).

 а.       б.

Рис. 12. а – природный  ангидрит; б – применение ангидрита

Известковые туфы – образовались в результате осаждения  из источников подземных углекислых вод. Обладают малой прочностью и хорошо поддаются распиловке (кроме травертина – плотное мелкозернистое строение с ) (рис. 13).

а.    б.     в.

Рис. 13. а – известковый  туф; б – применение; в – разработки травертина в карьере

Магнезит – кристаллическая порода, состоящая, в основном, из магнезита  (рис. 14).

а.     б.    в.

Рис. 14. а – магнезит; б. – разработка магнезита открытым способом; в – применение (теплоизоляционные  плиты).

(Слайд №11). Доломит – состоит, в основном, из минерала доломита  с примесью глины и др. По свойствам близки к плотным известнякам (рис. 15.),, .

 а.       б.

Рис. 15. а- доломит; б – применение в отделке фасадов

Органогенные  породы образуются в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов в водных бассейнах. К ним относят различные карбонатные и кремнистые горные породы (известняки, мел, диатомит и трепел).

Известняки – широко распространенная горная порода состава: . По структуре подразделяют: плотные, пористые, мраморовидные, ракушечники, оолитовые, землистые (мел). Плотные известняки: , ; пористые , .

Мраморовидные известняки – переходные породы от известняков к мраморам: ,  (рис. 16.).

а.      б.     в.

Рис. 16. а - мраморовидные  известняки; б- карьер по разработке мраморовидного известняка; в – применение в античной классике

Известняк-ракушечник – пористая порода. Состоит из раковин и панцирей моллюсков, слабо сцементированных известковым цементом (рис. 17.)., , имеет малую теплопроводность и легко распиливаются.

 а.       б.

Рис. 17. а – известняк-ракушечник; б – разработка известняка-ракушечника в карьере

Мел – землистая порода, которая представляет собой затвердевший морской осадок, состоящий из мелких обломков кальцита, одноклеточных организмов и микроскопических раковин. Обладает высокой дисперсностью (рис. 17.).

Диатомиты и трепелы – богатые аморфным кремнеземом  породы. В них содержится до 75÷96 % активного кремнезема (рис. 18), , теплопроводность .

 а.        б.

Рис. 17. а – разработка мела в карьере; б – строительный мел

а.    б.   в.    г.

Рис. 18. Разработка диатомита  в карьере; б – применение диатомита; в – трепел; г - применение трепела.

6. Важнейшие метаморфические  породы

Мраморы – образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких температур и огромного всестороннего давления. , , водопоглощение 0,1÷0,7 %, относительно высокая прочность на истирание (рис. 19).

 а.       б.

Рис. 19. а – мрамор; б – применение изделий из мрамора в строительстве

Кварциты – метаморфическая разновидность кремнистых песчаников, с перекристаллизованными с сросшимися зернами кварца. Имеют стойкость к выветриванию, ,  (рис. 20).

Гнейсы – образовались в результате перекристаллизации гранитов и др. пород при высокой температуре и одностороннем давлении, поэтому они имеют сланцеватое строение, сто определяет их анизотропные свойства.

Глинистые сланцы – плотная и твердая глинистая порода сланцевого строения, образовались из глин, сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся под большим односторонним давлением. В отличие от глин не размокают в воде и при увлажнении, не обладают пластичностью.

а.   б.    в.   г.

д.      е.

Рис. 20. а – кварциты; б - применение кварцитов; в – месторождений  гнейсов; г – применение гнейсов; д – глинистые сланцы; е – применение в виде кровельного материала

7. Материалы и  изделия из природного камня

Природные камни обладают разнообразным свойствам: 

• высокой прочности; 
• долговечности; 
• широкому диапазону декоративных возможностей; 
• неограниченными запасами.

Этот материал прошел испытание  временем: сохранились до наших дней монументальные сооружения в Египте, Греции, Италии, России. В Украине  широко используются материалы из природного камня.

Каменные материалы разделяют:  

• по плотности: на тяжелые  и легкие ; 
• по пределу прочности на сжатие (МПа) на марки: для тяжелых от 10 до 100; для легких от 0,4 до 20; 
• по морозостойкости (М_рз): тяжелые: 15÷500; легкие 10÷25.

По степени обработки  природные каменные материалы различают:  

• грубообработанные (песок, гравий, щебень, бутовый камень); 
• профилированные (пиленые штучные камни и блоки для стен; камни, плиты и профильные изделия для наружной и внутренней облицовки, полов, дорожного строительства).

8. Добыча и обработка  каменных материалов

Технология производства каменных материалов и изделий включает:  

• добычу горной породы; 
• ее обработку.

В камнеобрабатывающей промышленности принята следующая классификация  горных пород: 

• твердые породы – минералы с твердостью 6-7 (гранит, кварцит, габбро); 
• средние породы минералы с твердостью ≤ 5 (мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа); 
• мягкие породы пористые породы с твердостью 2-3 (известняк-ракушечник, ангидрит, гипс); 
• рыхлые породы – песок, гравий, глина.

На рис. 21 приведены примеры  некоторых станков для механической обработки природных каменных материалов.

а.     б.    в.

Рис. 21. а - дисковая распиловочная рамная пила; б – фрезерно-окантовочный станок; в – шлифовально-полировальный станок