Природные каменные строительные материалы

Введение.

   Горные  породы являются главным источником для получения строительных материалов, их используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и строительного гипса. Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.

   Широко  используют природные каменные материалы  и изделия, получаемые механической обработкой горных пород (раскалыванием, распиливанием, шлифованием, полированием, дроблением и т.п.). Это плиты из гранита, мрамора, известняка и других горных пород для декоративной облицовки и защиты строительных конструкций от коррозии.

   Россия  по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья.

   При разработке горных пород важным показателем  эффективности производства являются отходы, их количество характеризует затраты на конечный продукт. 
 
 
 
 
 
 

Историческая  справка

   На  заре своей строительной деятельности человек использовал только естественные, встречающиеся в природе в готовом виде строительные материалы: камни, куски деревьев.

     Постепенно  люди научились сами валить и обтесывать деревья, добывать и обрабатывать камень в каменоломнях, применяя для этого нередко очень остроумные способы. Например, в Древнем Египте строители плотно загоняли в щели каменных глыб сухие деревянные клинья и затем поливали их водой до тех пор, пока дерево, разбухая, не раскалывало глыбы на отдельные каменные блоки нужных размеров.

     Природный камень как строительный материал был  известен в глубокой древности. Благодаря высокой механической прочности и долговечности его применяли для строительства самых разных сооружений. Благодаря красивой природной окраске и текстуре камня его применяли для архитектурного оформления уникальных зданий, сооружений храмов, дворцов, памятников и т.д. до наших дней сохранились монументальные сооружения из природного камня, египетские пирамиды (Хеопса и др.) и сфинксы, развалины Колизея в Риме и другие соборы, церкви и крепостные сооружения.

     Камень  – один из самых старых стеновых и отделочных материалов используется до сих пор. Природные каменные породы – мрамор, граниты, известняки – украшают станции метро, фасады и залы многих общественных зданий.

     В Армении из мягкого, хорошо обрабатывающегося  и легкого туфа, а на Украине  из ракушечника кладут стены домов. Неотделанный природный камень и  отходы, образующиеся при его обработке, используют при устройстве фундаментов, постройке дорог.

     В наше время каменные материалы добывают и обрабатывают, применяя взрывную технику, буровые и камнерезные машины. Крупные каменные глыбы на специальных станках распиливают на блоки и плиты, на тоненькие облицовочные пластинки, шлифуют и полируют их поверхность. В некоторых случаях толщина такой пластинки измеряется... миллиметрами, а к стене, которую надо отделать, пластинки просто приклеивают.

     Научились делать и искусственный литой  камень - подбирают из разных материалов смесь, близкую по составу к естественному камню, плавят ее и отливают в специальных формах, точно соответствующих виду и размерам нужных строителям изделий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Классификация и основные виды природных  каменных материалов.

     Природные каменные материалы и изделия  получают путём механической обработки горных пород (дробления, распиливания, раскалывания и т.п).

     По  способу получения каменные материалы  подразделяют на:

–рваный камень (бут) — добывают взрывным способом

– грубоколотый камень — получают раскалыванием без обработки

–дроблёный — получают дроблением (щебень, искусственный песок)

– сортированный камень (булыжник, гравий).

     Каменные  материалы по форме делятся на:

– камни неправильной формы (щебень, гравий)

–штучные изделия, имеющие правильную форму (плиты, блоки).

     Щебень — остроугольные куски горных пород размером от 5 до 70 мм, получаемые при механическом или природном дроблении бута (рваный камень) или естественных камней. Его используют в качестве крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей, устройства оснований.

     Гравий — окатанные куски горных пород размером от 5 до 120 мм, также используется для приготовления искусственных гравийно-щебёночных смесей.

   Песок— рыхлая смесь зёрен горных пород размером от 0,14 до 5 мм. Он образуется обычно в результате выветривания горных пород, но может быть получен и искусственным путём — дроблением гравия, щебня, и кусков горных пород.

   По  показателям плотности природные камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/см³ имеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов.

   Тяжелые камни плотностью более 1,8 г/см³ (из гранита, сиенита, диорита и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства.

   Прочность. По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням различной пористости.

   Морозостойкость. По числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцами в условиях стандартного испытания, природные каменные материалы разделяют на марки по морозостойкости: 10; 15; 35; 100; 150; 200; 300 и 500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно-зернистой структурой. Камни с неравномерным порфировым строением быстрее растрескиваются при резких изменениях температуры вследствие различия коэффициентов температурного расширения мелкокристаллической массы и крупных вкрапленников. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их поры заполнены "горной влагой" и коэффициент насыщения пор водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются достаточно морозостойкими и более прочными.

   Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемого для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть не менее 0,8, для наружных стен зданий - не менее 0,6.

   Истираемость и износ. Эти свойства природного каменного материала имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.п. Мелкокристаллические материалы при истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц, полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины.

   Огнестойкость зависит от минерального состава камня. Некоторые материалы при повышенной температуре разлагаются (гипс при 100°С, известняк при 900°С), другие (например, гранит, порфиры) растрескиваются при пожаре вследствие различного теплового расширения составляющих их минералов.

   В зависимости от назначения и условий  применения природные каменные материалы оценивают также по твердости, стойкости химическому воздействию внешней среды и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сырьевые  материалы.

     В зависимости от условий образования  горные породы делятся на первичные (изверженные), вторичные (осадочные), видоизмененные (метаморфические).

     Первичные (изверженные) породы образовались из магмы - огненно-жидкой массы, поднявшейся  из глубин земли и затвердевшей при  остывании. Они разделяются на глубинные  породы, остывшие под землей, и излившиеся (вулканические), которые застывали  на поверхности земли.

   Изверженные глубинные породы остывали медленно под большим давлением и приобрели зернисто-кристаллическую структуру. Они обладают большой прочностью на сжатие и плотностью. К таким породам относятся гранит, сиенит, диорит и др.

   Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25-30%), натриево-калиевых шпатов (35-40%) и плагиоклаза (20-25%), обычно небольшим количеством слюды (5-10%) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии - 120-250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 1/30-1/40 от сопротивления сжатию. Одним из важнейших свойств гранитов является также малая пористость, не превышающая 1,5%, что обуславливает водопоглощение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивается при температурах выше 600°С вследствие полиморфных превращений кварца. Гранит, так же как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию. Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными.

   Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6% магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50-70%) и натриевых полевых шпатов (10-30%), цветных минералов (10-20%). Если присутствует кварц (10-15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физико-механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им в прочности из-за отсутствия кварца.

     Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; состоят они из плагиоклаза (65-70%) и роговой обманки, иногда вместе с пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25-30%. Структура породы равномерно зернистая, средне или мелкозернистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено наличием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными минералами.

   Изверженные излившиеся (вулканические) породы остывали быстро и неравномерно и в зависимости от условий образования обладают плотной или пористой структурой. К плотным вулканическим породам относятся базальт, диабаз и т. п. К рыхлым - пемза, туфы, трасс; они имеют малый объемный вес вследствие большой пористости, обладают малой теплопроводностью и являются хорошим стеновым материалом.

   Базальты  - излившиеся породы черного цвета, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые, иногда порфировые. Плотность базальтов - 2700-3300 кг/м³; предел прочности при сжатии колеблется в широких пределах — 110— 500 МПа, в среднем - 200-250 МПа. Базальты ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Базальты являются исходным материалом для литых каменных изделий.

   Диабазы - порода мелкозернистая, по составу аналогичная габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура полнокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы имеют черный цвет, выветренные - зеленовато-серый. Диабазы отличаются высокой твердостью, прочностью (300-400 МПа на сжатие) и вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе железомагнезиальных силикатов и свойственной этим породам структурой.

   Пемза представляет собой пористые вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом. Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2-2,5 г/см³, плотность 0,3-0,9 г/см³ (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы обуславливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор - достаточную морозостойкость.

   Туфы  и туфолавы-Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются выветриванию, мало теплопроводны и, несмотря на большую пористость, морозостойки. Они легко обрабатываются, распиливаются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются. Прочность туфов находится в тех же примерно пределах, что и у обыкновенного кирпича, т.е. от 5 до 15 (иногда до 30) МПа.

   Вторичные (осадочные) породы образовались в результате разрушения изверженных или других пород под влиянием атмосферных  условий - действий воды, ветра, изменения температуры (выветривания). В результате выветривания образовались рыхлые породы - гравий, глина, пески, а также цементированные песчаники и другие. Выветривание сопровождалось не только механическим разрушением, но и химическими явлениями, в результате чего образовались такие осадки, как гипс.

   Рыхлые  обломочные породы - песок и гравий - применяют в качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырьевой смеси в производстве стекла, керамических изделий и др. Песчаные породы широко используют при возведении намывных плотин, дамб и др.

   Глинистые породы сложены более чем на 50% частицами мельче 0,01 мм, причем не менее 25% из них имеют размеры меньше 0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом. Кроме того, глинистые породы могут содержать обломочные зерна кварца, полевых шпатов, слюд, а также гидроокислы, карбонаты, сульфаты и прочие минералы. Наличие обломочной примеси оказывает существенное влияние на степень пластичности глины.

   Осадки, полученные в результате отмирания  микроорганизмов в морских и  пресных водах, образовали породы органического  происхождения: известняки, мел, ракушечник и т. п. Среди осадочных пород наиболее распространены известняки, которые служат сырьем для производства извести и цемента.

   Органогенные  известняки могут быть сложены целыми раковинами или обломками раковин различных морских беспозвоночных, а также остатками известковых водорослей. Органогенные известняки иногда слагают рифы. Рифостроящими организмами являются преимущественно известковые водоросли, кораллы и др.

   Разновидность органогенных известняков - мел. Это микрозернистая слабоцементированная порода белого цвета.

   Известняки-ракушечники  применяют в строительстве. Способность легко распиливаться, небольшая плотность (от 0,8 до 1,8 г/см³), малая теплопроводность - все это позволяет уменьшить толщину наружных стен зданий по сравнению с кирпичными, что снижает стоимость строительства.

   Видоизмененные (метаморфические) породы образовались в результате последующих глубоких изменений изверженных и осадочных  пород под влиянием высоких температур или больших давлений. К таким  породам относятся мраморы, гнейсы, сланцы.

   Мрамор  - мелко-, средне- и крупнозернистая плотная карбонатная порода, состоящая главным образом из кальцита и представляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на сжатие - 100-300 МПа, но легко поддается обработке, вследствие плотности - хорошо полируется.

   Гнейсы  - породы метаморфического генезиса, образовавшиеся при температуре 600-800°С и высоком давлении. Исходными являются глинистые и кварцево-полевошпатовые породы. В состав гнейсов входят следующие минералы: кварц, биотит, роговая обманка, полевые шпаты. Текстура - массивная, полосчатая, структура - разнозернистая.

   Кристаллические сланцы имеют мелкозернистое строение с пол-ностью утраченными первичными текстурами и структурами. Цвет их от темно- до светло-серого. Основная часть породы состоит из зерен кварца, биотита и мусковита.Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, слюдистых и иных сланцев являются естественными кровельными материалами - кровельными сланцами.

   Горные  породы содержат различные породообразующие минералы, представляющие собой химические соединения или их смеси. К ним относятся кварц (группа кремнеземов), полевые шпаты, слюда (группа силикатов). В составе осадочных пород, кроме того, весьма часто встречаются карбонаты (соли углекислоты).

   Группа  кремнезема. Наиболее распространенные минералы этой группы - опал, халцедон и осадочный кварц.

   Силикаты и алюмосиликаты представляют собой обширную группу минералов. Для них характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и комплексов элементов другими. Силикаты — важные неметаллические полезные ископаемые: асбест, тальк, слюды, каолин, керамическое и огнеупорное сырьё, строительные материалы. Они также являются рудами на бериллий, литий, цезий, цирконий, никель, цинк и редкие земли. Кроме того они широко известны как драгоценные и поделочные камни: изумруд, аквамарин, топаз, нефрит, родонит и др. 

Основные  технологические  процессы и оборудование.

     Добычу  природных каменных материалов осуществляют главным образом, открытым способом. Разработку горных пород в карьерах ведут экскаваторами, гидромеханическим способом, камнерезными машинами, взрывным способом и т. д.

     Выбор способа добычи природных каменных материалов зависит от вида горной породы, глубины и условий ее залегания, твердости и др. Рыхлые горные породы — песок, гравий, глину — добывают открытым способом с помощью различных машин, из которых наиболее распространенными являются одно- и многоковшовые экскаваторы, а также с помощью гидромеханизации. Сущность гидромеханизации заключается в том, что вода подводится к месту добычи грунта под давлением, создаваемым насосами, проходит через гидромонитор и, вылетая с большой скоростью из его насадки, производит размыв породы. Затем из смеси грунта с водой (пульпы) выделяется товарная продукция (песок или гравий). 

     Песок и гравий в карьерах классифицируют по крупности зерен на две фракции  и более. Щебень получают дроблением горных пород, добываемых взрывным или  другим способом. Поскольку нерудные материалы, поступающие с карьеров, по крупности, зерновому составу, количеству примесей обычно непригодны для непосредственного использования в бетонах, необходима их переработка, включающая операции по дроблению, фракционированию, выработке мелких фракций, мойке, обогащению и складированию. Дроблению подвергаются зерна горной породы крупностью до 1200...1500 мм. Для сборного железобетона используется щебень крупностью 5...40 мм. Существующие конструкции дробильных установок не могут обеспечить измельчение кускового материала необходимых фракций при однократном прохождении, поэтому применяют двух- или трехступенчатые схемы дробления. Для дробления используют дробилки щековые, конусные, валковые и ударного действия (молотковые и роторные). Выбор схемы дробления и типа дробильного оборудования производят с учетом свойств исходного сырья и условий обеспечения максимального выхода качественного по размерам и форме заполнителя.

     Эффективность работы дробильных агрегатов повышается при многоступенчатом дроблении с применением классификаторов, например виброгрохотов. Дробление нерудных материалов, как правило, производят в стационарных установках на заводе, однако в последнее время все большее применение находят передвижные дробильные установки.

     Простейший  вид классификации — грохочение; с его помощью производят разделение материала на фракции заданных размеров. На предприятиях нерудных строительных материалов широко применяют плоские вибрационные грохоты. Для получения чистых, свободных от примесей заполнителей окончательное грохочение совмещают с промывкой.

     После дробления и грохочения в материале остаются загрязняющие примеси в виде глины, ила и др., ухудшающие качество заполнителя. Для промывки нерудных строительных материалов широко используют наклонные лопастные двухвальные корытные мойки, а также барабанные промывочные машины. Барабанные промывочные машины в зависимости от направления движения отработанной воды со шламом бывают прямоточные и противоточные. Более эффективны противоточные машины, они выдают чистый заполнитель различной степени крупности от мелкого до 350 мм. В последнее время получили распространение вибрационные промывочные машины, как более эффективные, потребляющие относительно мало энергии и воды, и менее металлоемкие. Эффективен в работе также виброкаскадный промывочный виброкаскадный промывочный грохот, который предназначен для промывки зерен крупностью до 100 мм с содержанием глины до 10%.  

Технологическая схема "мокрого" способа обогащения отсевов дробления.

Схема промывочного виброгрохота с предварительным размывом на каскадном лотке (разработка Союздорнии); 1 - лоток разгрузочный; 2 - конвейер; 3 - брызгала; 4 - конвейер; 5 - лоток каскадный; 6 - виброгрохот; 7 - пульпосборник  

     Наряду  с грохочением применяется более точная гидравлическая классификация. Из гравитационных наиболее совершенны вертикальные классификаторы с восходящей струей. Классификация осуществляется в две стадии. Сначала пульпа разделяется в обогатительной камере, где основная часть мелких фракций выносится в слив, а оседающие крупные зерна песка поступают в классификационную камеру, где происходит окончательное разделение гидросмеси. Частицы крупнее заданного размера оседают к разгрузочному устройству, а мелкие — восходящим потоком выносятся в слив. Центробежные классификаторы (гидроциклоны, центрифуги) используют для выделения из песка и разделения зерен крупностью 0,15...0,3 мм. Обезвоживание нерудных материалов производят различными способами. Чаще применяют дренирование, широко используют для обезвоживания нерудных материалов сушку — естественную (в штабелях) или искусственную (в сушильных барабанах). Операции по технологической переработке нерудных материалов одновременно способствуют их обогащению и повышению качества, но существуют и специальные способы обогащения, рассчитанные на переработку особых видов сырья, например с высоким содержанием слабых пород, а также на получение специальных видов заполнителя, обогащение щебня в грануляторах, тяжелых средах и др.

Технологическая схема сухого обогащения влажных отсевов  дробления 

     Правильные  условия складирования нерудных строительных материалов обеспечивают сохранность их высокого качества и уменьшают потери. 
По способу хранения склады различают: открытые — штабельные, штабельно-траншейные, штабельно-эстакадные; закрытые — полубункерные, бункерные и силосные. Заполнители хранятся раздельно по видам, фракциям и сортам. Массивные изверженные горные породы разрабатывают, как правило, взрывом, При отделении глыб слоистых, трещиноватых,- столбчатых пород применяют механические средства (клинья, механические лопаты и др.). Мягкие породы (известковые туфы и др.) добывают путем распиловки массива камнерезной машиной на блоки определенных размеров и правильной геометрической формы. При разработке месторождений некоторых разновидностей гранитов, туфов, мраморов (в открытых выработках) на штучный камень, плиты, блоки и т. д. применяют также способ распиловки породы механическими пилами. 

Основные  свойства продукции.

   Грубообработанные каменные материалы.

   Бутовый камень (бут) - куски камня неправильной формы, размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый. Для получения рваного бута и щебня разработку пород осуществляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут получают из пород пластового залегания. Крупные отдельности такой породы, ограниченные трещинами, отделяют экскаватором с последующей развалкой кусков до требуемых размеров камнеколь-ным инструментом.

   Бутовый камень получают разработкой местных  осадочных и изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в отношении прочности, морозостойкости водостойкости. Бут из осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников) не должен содержать примесей глины, рыхлых прослоек и включений пирита.

   Из  бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень.

   Щебень  - куски камня размером 5-70 мм (для гидротехнического строительства до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и природный щебень, называемый дресвой.