Тема 3. Природні кам’яні матеріали.

 

1.   Виникнення кам’яних матеріалів.

2.   Видобування та методи обробки кам’яних матеріалів.

3.   Класифікація та характеристика матеріалів і виробів із природного каменю.

 

1.     Природними кам'яними матеріалами називають матеріали і вироби, які одержують механічною обробкою (подрібненням, розколюванням, розпилюванням тощо) гірських порід, не змінюючи їхньої природної структури та властивостей. Серед будівельних матеріалів природні кам'яні матеріали займають одне з основних місць. Загальна частка затрат у будівництві на ці матеріали перевищує 20%.

        Гірські породи - це природні мінеральні утворення, які сформувались внаслідок геологічних процесів у земній корі, відрізняються ступенем щільності, складаються з одного або кількох мінералів, характеризуються відносно сталим мінералогічним складом, певними будовою та властивостями і мають досить великі площі залягання.

        Природні мінерали - це новоутворення, що відрізняються постійними хімічним складом, структурою й властивостями та беруть участь у формуванні гірських порід.

У будівництві природні кам'яні матеріали застосовують з глибокої давнини, про що свідчать пам'ятки архітектури багатьох країн світу, у тому числі і нашої країни. І в наш час практично всі монументальні споруди виконуються з використанням природного каменю, що обумовлено його високою довговічністю і декоративністю.

Залежно від виду обробки природні кам'яні матеріали бувають подрібнені (щебінь, висівки), колоті (бутовий камінь, шашка), пиляні (блоки, плити) та штучні вироби різного ступеня обробки.

У сучасному будівництві визначилися такі основні напрями використання згаданих матеріалів:

    штучне каміння та вироби для зведення стін будівель, улаштування підлог, сходів тощо;

    облицювальні (декоративні) вироби - плити, каміння, профільовані вироби;

    каміння та вироби для дорожнього будівництва - брущатка, шашка для брукування, плити, бордюрний камінь;

    каміння та вироби різних типів для гідротехнічних та інших споруд;

     нерудні матеріали - бутовий камінь, заповнювачі для бетону (щебінь, гравій, пісок).

        Утворення гірських порід пов'язане з геологічними процесами, які постійно відбуваються у земній корі під дією різних сил. Ці рушійні сили поділяють на внутрішні (ендогенні) та зовнішні (екзогенні). Джерелом енергії ендогенних процесів значною мірою є внутрішня теплота Землі. Відомо, що із заглибленням в земну кору у середньому на 33 м температура зростає на 1°С. Так, у свердловині завглибшки 4,5 км температура становить майже 130°С. До ендогенних процесів належать:

1)   тектонічні рухи - переміщення гірських порід;

2)   магматизм - сукупність явиш, пов'язаних з утворенням магми; зміною її складу та переміщенням з надр до поверхні Землі;

3)   сейсмічні явища - землетруси;

4)   метаморфізм — фізико-хімічні процеси зміни структури, мінерального, а іноді й хімічного складу гірських порід під впливом підвищених температур, тиску і газів.

Магма — це вогняно-рідкий складний (зазвичай силікатний) розплав, який виникає в надрах Землі при порушенні термодинамічної рівноваги у літосфері.

Головною складовою магми є діоксид силіцію (Si02), вміст якого становить 40...75%. Крім нього, магма містить оксиди алюмінію, феруму, магнію, кальцію, натрію та інших елементів. Деякі з них здатні переходити у газоподібний стан. При виливанні магми на поверхню вона втрачає значну частину летких компонентів і утворює лаву. За вмістом Si02 магму (лаву) поділяють на чотири типи: кислу (Si02>65%), середню (Si02=65...52%), основну (Si02=52...45%) та ультраосновну (Si02<45%).

Екзогенні процеси відбуваються на поверхні земної кори або на невеликій глибині, а також у зовнішніх оболонках Землі - атмосфері, гідросфері та біосфері. Джерелом їхньої енергії є дія Сонця, вітру, текучих і підземних вод, льодовиків тощо. До екзогенних процесів належать:

1) вивітрювання - процес руйнування вже утворених гірських порід під дією сонячної енергії, повітря, води і життєдіяльності організмів;

2) денудація - сукупність процесів винесення і видалення продуктів руйнування, що утворюються при вивітрюванні корінних порід;

3) акумуляція - накопичення на поверхні суші або на дні водного басейну чи ріки мінераль­них осадів або органічних залишків.

        Для вивчення гірських порід їх поділяють на окремі групи. Найбільш поширеною є класифікація гірських порід за походженням, або генетична, відповідно до якої всі породи поділяють на три групи (рис. 1): вивержені або магматичні (первинні), які утворилися

 

 

Рис. 1. Генетична класифікація гірських порід

 

внаслідок охолодження й затвердіння магми; осадові (вторинні), які виникли в поверхневих шарах земної кори внаслідок руйнування первинних порід; метаморфічні (видозмінені), утворені з вивержених і осадових.

        Таким чином, при виборі гірських порід для виготовлення кам'яних виробів потрібно враховувати їхній хіміко-мінералогічний склад, ступінь кристалічності, характер структури та текстури, а також ступінь їх вивітрювання, що має визначальний вплив не тільки на фізико-механічні, але й на експлуатаційні характеристики, в тому числі зносо-, морозо- та корозійну стійкість.

 

2.     Усі гірські породи за твердістю поділяються так:

а) тверді, до складу яких входять мінерали з твердістю 6...7, - кварцит, граніт, сієніт, діорит, габро;

б) середні, які мають твердість не більше 5, - мармур, щільні вапняки, доломіти, деякі види туфу;

в) м'які, що мають твердість 2...3, - гіпс, ангідрит, вапняк-черепашник.

Розробляючи тверді породи, спочатку від них відокремлюють великий моноліт, який далі поділяють на блоки. Це виконують буроклиновим, буропідривним методами або за допомогою ударних врубових машин. Для порід, що містять кварц, можна використати термогазоструменевий метод. Він ґрунтується на руйнівній дії внутрішніх напружень, які виникають при поліморфних перетвореннях кварцу під впливом високої температури.

Прогресивним для відокремлення монолітів від масиву і розколювання їх на блоки є використання невибухових руйнівних складів (НРС). Для цього в попередньо пробурені в гірській породі шпури заливають суміш порошку НРС з водою. Основним компонентом НРС є негашене вапно СаО, яке при гідратації утворює гашене вапно Са(ОН)2 зі збільшенням об'єму НРС приблизно удвічі, що викликає внутрішні напруження розширення не менше 40 МПа.

        При розробці кар'єрів порід середньої твердості блоки відокремлюють машинами з канатними пилками, в яких різальним органом є сталевий канат діаметром 3...6 мм. У пропил під канат подають абразив — кварцовий пісок з водою.

Видобуті блоки доставляють з кар'єру на каменеобробний завод, де їх розпилюють на плити або виготовляють з них фасонні вироби. Для розпилювання блоків застосовують рамні пилки з гладенькими полотнами, під які підсипають абразивні матеріали: для середніх порід - кварцовий пісок, а для твердих — чавунний дріб. Останнім часом як абразивний матеріал застосовують надтверді матеріали — штучні алмази, що дає змогу в 5... 10 разів збільшити швидкість і продуктивність різання. Крім того, у 3...4 рази скорочується ширина пропилу, а товщина плит може бути доведена до 10 мм. У результаті з 1 м3 блока можна виго­товити 40...45 м2 тонких плит, що в 2...3 рази більше, ніж при звичайних методах розпилювання.

        Середні та м 'які породи видобувають у кар'єрах за допомогою каменерізальних машин, які мають твердосплавні дискові й ланцюгові пилки.

Для облицювальних виробів природному каменю надають тієї чи іншої фактури (характеру поверхні), використовуючи ударну чи абразивну обробку.

        Ударна обробка полягає в обколюванні поверхні каменю за допомогою каменетесального інструмента зі змінними наконечниками.

Абразивна обробка, крім згаданого розпилювання, передбачає також фрезерування, шліфування й полірування.

Сипкі гірські породи (пісок, гравій) найчастіше розробляють гідромеханічним способом. Вода, що подається гідромотором під великим тиском, розмиває грунт. З пульпи (суміш грунту з водою) виділяється пісок або гравій певних розмірів. Гравій та валунний камінь видобувають спеціальними плавучими механізмами - драгами чи землечерпалками.

 

3.      Природні кам'яні матеріали і вироби класифікують за такими ознаками:

-  за середньою густиною: важкі (pm>l800 кг/м3) та легкі (pm<1800 кг/м3);

-  за міцністю при стиску (кгс/см2): марки: М4; М7; М10; М15; М25; М35; М50; М75; М100; М125; М150; М200; М300; М400; М500; М600; М800, М1000 (відповідно у МПа від 0,4 до 100), причому легкі кам'яні матеріали мають марки до 200, а важкі - від 100 і вище;

- за морозостійкістю: марки: FI0; F15; F25; F50; F100; F200; F300; F500;

-  за коефіцієнтом розм'якшення: 0,6; 0,75; 0,8; 0,9; 1,0.

Коефіцієнт розм'якшення каменю для зовнішніх стін споруд повинен бути не меншим, ніж 0,6, а для фундаментів, дорожніх та гідротехнічних споруд - не менше 0,8.

         Матеріали та вироби для дорожнього будівництва виготовляють із щільних, міцних і зносостійких порід (граніту, діориту, габро, базальту), оскільки умови їх експлуатації надзвичайно суворі. До дорожніх матеріалів і виробів відносять: брущатий камінь; колотий і булижний камінь; тротуарні плити і бордюрне каміння   (рис. 2).

 

Рис. 2. Матеріали та вироби для дорожнього будівництва:

1 - бордюрний камінь: а - прямий; б - лекальний; в - для влаштування з'їзду;2 - камінь для брукування: а - брущатка: б – шашка.

 

Брущатий камінь (брущатка, або бруківка) призначається для впорядкування покриттів проїжджої частини доріг. Має форму зрізаної піраміди з паралельними прямокутними верхньою та нижньою основами. Виготовляють брущатку з однорідних дрібно- й середньозернистих порід. З таких самих порід виготовляють і шашку для мозаїчного бруку.

Колотий і булижний камінь використовують для влаштування основ доріг, а також дорожніх покриттів, для укріплення схилів земляних споруд тощо.

Тротуарні плити виготовляють з шаруватих гірських порід. Вони мають форму прямокутної чи квадратної плити зі стороною 200...800 мм та рівною лицьовою поверхнею (товщина 40...150 мм).

Бортове каміння, що відокремлює проїжджу частину дороги від тротуару, виготовляють із щільних вивержених порід, яким притаманні високі морозо- і зносостійкість, а також міцність (граніт, сієніт). Залежно від способу виготовлення вони бувають пиляні й колоті.

Каміння для гідротехнічних споруд. Для річкових і морських гідротехнічних споруд застосовують каміння правильної та неправильної геометричних форм. Каміння неправильної форми - рваний камінь, який одержують підриванням гірських порід), обкочений камінь (валуни, булижники), щебінь і гравій — використовують для влаштування камененакидних гребель, перемичок, дамб, берегоукріплень та інших споруд. Каміння правильної форми - колоте й пиляне — використовують для облицювання гребель, набережних, шлюзів. До всіх матеріалів ставляться підвищені вимоги не лише до міцності, а й щодо водо- та морозостійкості. Особливо несприятливими є умови експлуатації матеріалів у зоні змінного рівня води, де під час замерзання можуть утворюватися льодові скупчення, які спричинюють значні внутрішні напруження. Захисне облицювання в цій зоні виконують із щільних вивержених порід з водопоглинанням не більше 1%, міцністю при стиску не нижче 80...100 МПа і морозостійкістю не менше 300 циклів (це граніти, сієніти, діабази та інші).