Характеристика природних кам'яних матеріалів та їх добування

Природні камені поділяють за способом отримання, видами обробки, призначенням, щільністю.

Рваний та подрібнений камінь. Рваний бутовий камінь отримують шляхом вибухового висаджування гірської маси. Застосовують його для кладки фундаментів, у шляховому будівництві, при зведенні стін не житлових будівель, для кріплення земляних укосів тощо. Розміри шматків бутового каменя 150...500 мм. Його отримують як із щільних гірських порід з марками за міцністю від 100 до 1400 і хморозостійкістю до 300 циклів, так і з пористих з марками за міцністю 25... 100, морозостійкістю 15 циклів.

Подрібнений камінь випускають у вигляді щебеню., крихти, штучного піску та застосовують в основному як заповнювач бетонів.

Після просіювання піщано-гравійних сумішей отримують сортований матеріал - пісок і гравій, а після тонкого помелу гірських порід - мелений (мінеральний порошок, вапнякова мука).

Пісок, щебінь, гравій та бутовий камінь належать до групи нерудних будівельних матеріалів, які мають неправильну довільну форму.

При отриманні рваного і подрібненого каменю розробку масивних порід проводять у відкритих кар'єрах буро-вибуховим способом, коли від масиву відділяються глиби і піддають подальшому подрібненню до заданих розмірів. Подрібнення здійснюють у одну або декілька стадій на щокових, конусних дробарках або дробарках ударної дії із сортуванням на фракції, наприклад для щебеню 5...20, 20...40, 40...70 мм (рис. 2,2). Форма щебеню залежить від особливостей дробарок, структури та текстури гірської породи (рис. 2.3). Так, вміст плоских (пластинчастих) шматків при подрібненні крупнозернистих порід може бути вдвічі меншим, ніж при подрібненні дрібнозернистих та скло видних. При подрібненні на дробарках ударної дії збільшується вихід зернин, близьких до кубічної форми. Для покращання властивостей кам'яних матеріалів їх очищують від забруднення, збагачують більш міцними зернами з поліпшеною формою та поверхнею.

Рис.2. Схема дробильно-сортувального заводу для отримання щебеню

1 - камінь; 2 - щокова дробарка; 3 - конвеєр; 4 - грохот; 5 - конвеєр для зворотної подачі великих кусків каменю; 6 - конусна дробарка; 7 - сортувальний барабанний грохіт; 8 - бункери сортувального щебеню: 9 - конвеєр зворотної подачі в дробарку крупного щебеня; 10 - відкриті склади фракціонованого щебеню; 11 - екскаватор для довантаження щебеню.

Рис. 2.3. Форма отриманого щебеню (б) в залежності від форми окремих кусків гірської породи (а):

1 - бриловидна; 2 - кубовидна; 3 - пластова; 4 - шїитовидна; 5 - пластинчаста; 6 - пластинчастопальцевидна; 7 - призматична; 8 - кутова-та; 9 - сфероподібна; 10 - шкаралупоподібна.

Штучний камінь. Промисловість нерудних матеріалів випускає також штучний камінь правильної форми - стінові (пиляні) блоки, лицювальні ити, дорожні та спеціальні (жаростійкі, луго - і кислотостійкі) вироби.

визначають на зразках циліндричної або кубічної форми, які мають діаметр або довжин ребра 50 мм (для низько міцних порід 100 мм).

Для щебеню і гравію марку вихідної породи орієнтовно можна визначити за показником здатності до подрібнення (подрібнюваностей маса проби, кг; ті - залишок на контрольному ситі з розміром комірок, що в чотири рази менші нижнього розміру фракції, кг.

Марка каменя з морозостійкості - 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300. 500. Для районів з особливо суворими умовами та в зоні змінного рівня води для гідротехнічних споруд рекомендується камінь з морозостійкістю не менш 100, а для надводних зон - 50... 100. У районах з помірними і суворими умовами необхідна морозостійкість каменя знижується відповідно на одну марку.

Для зведення гребель застосовують валуни, рваний та булижний камінь, які накидають у споруду, а порожнини між крупним камінням заповнюють щебенем та гравієм. Опір каменя стисканню після 25 циклів заморожування - відтанення повинен бути 50...60 МПа для гребель висотою до 15 м, а для більш високих гребель - 70...80 МПа. Коефіцієнт розм'якшення каменя, який знаходиться нижче поверхні води (або в зоні змінної її дії) повинен бути для вивержених і метаморфічних порід не менш 0,9, осадових - 0,8. Не допускається застосування каменя із прошарками м'яких, розмокаючи порід та з ознаками вивітрювання.

При використанні каменя для виготовлення лицювальних матеріалів (плит, плиток) необхідно враховувати його стиранність та опір ударній дії.

Захист кам'яних матеріалів від вивітрювання. Вивітрюванням називають руйнування гірських порід під впливом змінного зволоження й висихання, заморожування й відтаювання, нагріву й охолодження, хімічної взаємодії агресивного середовища з окремими компонентами каменя. Стійкість кам'яних матеріалів проти вивітрювання залежить від їх мінералогічного складу та строктурно-текстурних особливостей. До мінералів, які є нестійкими до хімічного вивітрювання, можна віднести польові шпати, слюду, пірит, кальцит, доломіт, гіпс та інші. Стійкість проти фізичного вивітрювання, у першу чергу опору дії замерзаючої води, залежить від пористості породи та кількості тріщин. Більш здатні до вивітрювання породи крупнозернистої та порфірової структури.

Розрізняють хімічні та конструктивні способи захисту від вивітрювання. До хімічних способів захисту належить обробка природного каменю із карбонатних гірських порід (мармур, вапняк, доломіт) флюатами - солями кремнефтористоводневої кислоти. В результаті утворюються нерозчинні сполуки фтористого кальцію, магнію, кременевої кислоти, які ущільнюють поверхневий шар матеріалу.

Поверхні природних кам'яних матеріалів ущільнюються також просоченням їх розчинним склом та хлористим кальцієм, а також іншими речовинами, в результаті чого утворюються нерозчинні сполуки, які закупорюють пори. Ефективним захистом кам'яних матеріалів від води є гідрофобізація їх водневими розчинами кремнійорганічних сполук й обробка іншими полімерними сполуками.

Конструктивні способи захисту від вивітрювання полягають в тому, що виробам із природного каменя надають певну форму, котра не сприяє затриманню води на їх поверхні.

Неорганічні в'яжучі речовини

Будівельні в'яжучі призначені в основному для отримання штучних матеріалів конгломератного типу, розчинів і бетонів. їх прийнято розділяти на дві групи: неорганічні або мінеральні і органічні. До неорганічних в'яжучих відносять порошкоподібні або пастоподібні матеріали, здатні при взаємодії з водою або водними розчинами солей утворювати пластичну масу, яка в результаті фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібне тіло.

В залежності від характеру середовища, в якому твердіють неорганічні в'яжучі, їх ділять на повітряні, гідравлічні і автоклавного твердіння. Повітряні в'яжучі твердіють і зберігають міцність лише на повітрі, а гідравлічні - як на повітрі, так і у воді. В'яжучі автоклавного твердіння ефективно твердіють тільки при гідротермальній обробці, тобто при підвищених температурі і тиску насиченої пари.

Повітряні в'яжучі речовини

Основними представниками повітряних в'яжучих є гіпсові в'яжучі і повітряне вапно. До цієї групи матеріалів відносяться також магнезіальні в'яжучі і рідке скло. Повітряні в'яжучі використовуються в основному в загально будівельних роботах, для отримання розчинів і виробів, які не взаємодіють систематично з водою.

Гіпсові в'яжучі речовини. Гіпсовими в'яжучими називають речовини, які складаються з напівводяного гіпсу Са8О4-0,5Н₂О або ангідриту Са8О₄, здатні при взаємодії з водою твердіти в повітряному середовищі, їх отримують при тепловій обробці і атами - солями кремнефтористоводневої кислоти. В результаті утворюються нерозчинні сполуки фтористого кальцію, магнію, кременевої кислоти, які ущільнюють поверхневий шар матеріалу.

Поверхні природних кам'яних матеріалів ущільнюються також просоченням їх розчинним склом та хлористим кальцієм, а також іншими речовинами, в результаті чого утворюються нерозчинні сполуки, які закупорюють пори. Ефективним захистом кам'яних матеріалів від води є гідрофобізація їх водневими розчинами кремнійорганічних сполук й обробка іншими полімерними сполуками.

Конструктивні способи захисту від вивітрювання полягають в тому, що виробам із природного каменя надають певну форму, котра не сприяє затриманню води на їх поверхні.Повітряні в'яжучі речовини

Основними представниками повітряних в'яжучих є гіпсові в'яжучі і повітряне вапно. До цієї групи матеріалів відносяться також магнезіальні в'яжучі і рідке скло. Повітряні в'яжучі використовуються в основному в загально будівельних роботах, для отримання розчинів і виробів, які не взаємодіють систематично з водою.

Гіпсові в'яжучі речовини. Гіпсовими в'яжучими називають речовини, які складаються з напівводяного гіпсу Са8О4-0,5Н₂О або ангідриту Са8О₄, здатні при взаємодії з водою твердіти в повітряному середовищі, їх отримують при тепловій обробці і призначають із умови отримання мінімальної пористості з урахуванням особливостей гребель.

Бутовий камінь поділяють на постелістий (з однією небугристою гранню) та плитняковий (з двома приблизно паралельними гранями). Різновидом бутового є булижний камінь, який має округлу форму.

Міцність бутового каменю оцінюється границею міцності вихідної гірської породи на стиск у насиченому водою стані. Марки бутового каменю за міцністю (хЮ МПа): МІ00, М200, М300, М400, М800, МІ000, М1200, МІ400. Каміння з метаморфічних порід повинно мати марку не нижче ніж М400, а з магматичних - не нижче ніж М600. Марки бутового каменю за морозостійкістю Р15....Р300. У партії бутового каменю допускається не більш як 15% шматків з розмірами, відмінними від граничних. Вміст глини у каменях не повинен перевищувати 2% за масою» коефіцієнт розм'якшення має бути не нижче ніж 0,7.

Облицювальні та стінові камені. Облицювальні плити та камені виготовляють розпилюванням блоків з природного каменю. У разі використання некондиційних блоків отримують колоті плити та камені.

Для отримання облицювальних виробів найбільше використовують породи групи граніту та метаморфічні - мармури і забарвлені різновиди кварцитів. Осадові породи - вапняки, пісковики, доломіти, травертини та гіпси використовують переважно для внутрішнього облицювання. Найбільшу довговічність мають кварцити та граніти, значно меншу - мармури, які на відкритому повітрі можуть швидко руйнуватися. Розраховуючи довговічність споруд, приймають, що кварцити починають руйнуватися через 650 років, гранити та лабрадорити - через 220....350, мармури - через 20....130 років.

Гірські породи, які застосовуються для отримання облицювальних виробів, повинні мати границю міцності на стиск не менш як 5 МПа, морозостійкість - не менш як 15 циклів. Залежно від розмірів блоки поділяють на п'ять груп. Блоки першої групи мають найбільші розміри (4,5....8 м³), а п'ятої - найменші (0,01....0,4 м³). У блоці допускається не більше однієї тріщини, що проглядається на двох суміжних гранях, завдовжки менше третини вимірювання. Тріщини на плитах завдовжки менше третини ширини допускається у тому разі, коли плити виготовлені з кольорового мармуру. Облицювальні вироби мають абразивну (поліровану, шліфовану, лощену) або сколоту (рифлену, борознисту, точкову) фактуру. Найпоширеніші пилені плити6....80мм завтовшки, 200...400 мм завширшки.

Декоративні плити з мозаїчною та орнаментною поверхнями виготовляють, використовуючи окремі шматки природного каменю, щебеню та піску, а також неорганічні або синтетичні в'яжучі речовини. Розміри плит, мм: 1 тип - довжина 200....800, ширина 200....600; П тип -відповідно 200 1500, 200.... 1200; III тип - довжина та ширина 200 600. Товщина плит 100....400 мм. Плити позначають марками, вяких вказують тип, вид лицьової поверхні та габаритні розміри.

Завдяки високої довговічності облицювань з природного каменю витрати на їхню експлуатацію у 5....8 разів менші, ніж при оздобленні будівель фарбами, кольоровими розчинами та бетонами.

Як стінові матеріали застосовують пилені штучні камені та крупні блоки. Питомі капітальні вкладення на їхнє добування значно нижчі, ніж на виготовлення керамічної цегли. Особливо поширено використання природного каменю для зведення стін у ряді південних районів нашої країни. Для стін використовують легкі пористі гірські породи, які мають середню густину 900....2100 кг/м, границю міцності на стиск 0,4...,50 МПа та морозостійкість не менш як 15 циклів. Мінімальні значення коефіцієнтів розм'якшення стінових матеріалів і блоків 0,6, водопоглинання для туфів та опок 50%, вапняків та інших порід 30%,

Стінові камені та блоки мають такі основні розміри, мм: камені - довжина 390, 490, ширина 190, 240,висота 188₅ 288; блоки - довжина 400, 500, ширина 820, 1000, висота 2360, 2520, 2860, 3020.

За призначенням стінові камені поділяють на лицьові та рядові. Рядові камені використовують для зведення стін з наступним оштукатурюванням.

Марки стінових каменів за міцністю М4 М400 блоківМ25....М400.

При умовному позначенні стінових каменів вказують тип каменю за геометричними розмірами, його вид за призначенням та марку за міцністю на стиск.

Стінові вироби з природного каменю мають гарну фактуру (рожеві_? блакітні, жовті туфк; білі жовті світло-сірі вапняки), легко обробляються.

З окремих блоків, випилених з легких гірських порід, можна виготовити на розчині крупні складені блоки та панелі, використання яких дає змогу підвищити індустріальність будівництва.

Ефективно використовувати складені блоки заввишки "на поверх", які виготовляють із 6....8 звичайних блоків, зазори між ними заповнюють цементним розчином. Перспективними виробами з природного каменю є крупні цільнопилені панелі, склеєні з окремих елементів полімерами.

Для будівництва доріг у вигляді штучних виробів використовують бортове каміння, брущатку, колоте та булижне каміння. Цими виробами відокремлюють проїжджи частини вулиць та автомобільних доріг від тротуарів, вимощують мостові, трамвайні полотна, зміцнюють відкоси земляних покриттів і основ. Вихідною сировиною для них є високоміцні та гірські породи міцністю не менш як 60 МПа, морозстійкістю не менше ніж 25 циклів, коефіцієнтом розм'якшення 0,6....0,9, водопоглинанням 1...4%, опором удару 15 КПа.

Штучні природні камені транспортують на піддонах або окремо, за призначенням, типами та марками.

У процесі експлуатації будівель і споруд природні матеріали зазнають повітряного руйнування -вивітрювання. Щоб уникнути вивітрювання, їх захищають конструктивним або хімічним методом, передусім ізолюючи від дії вологи, температури та інших агресивних агентів. Конструктивні методи полягають у наданні виробам певної форми та гладенької поверхні, що запобігає проникненню агресивних розчинів, Суть хімічних методів полягає у підвищенні щільності каменів, їх гідрофобізації. Для пористих карбонатних порід застосовують флю-атування - обробку розчинами кремнефторидів для закупорювання пор нерозчинними продуктами реакції. Застосовують також просочування парафіном, сіркою, стиролом з наступною його полімеризацією.

Для гідрофобізації ефективні кремнійорганічні сполуки, які дають змогу суттєво збільшити стійкість кам'яних матеріалів, зберігаючи їхню фактуру. Стійкі захисні покриття утворюються при обробці поверхні каменю водними розчинами сечовиноформальдегідної смоли та інших полімерів.

Виробництво природних кам'яних матеріалів

Технологія виробництва природних кам'яних матеріалів визначається їхніми особливостями, властивостями гірської породи, умовами її залягання. Родовище, підготовлене до розробки порід, називається кар'єром. Підготовка родовища починається з вилучення верхніх розкривних порід та оголення корисної копалини. Кар'єри розробляють одним (або кількома) уступами, висота яких не перевищує 20 м.

Найбільш масовою продукцією є дроблене каміння із скельних порід. Його виробляють за допомогою буровибухових робіт, пов'язаних з бурінням шпурів (діаметром до 75 мм та завглибшки до 5 м) або свердловин (діаметром до 300 мм та завглибшки понад 5 м), розташованих уздовж фронту виступу; розміщенням у них вибухових речовин (амоніту, аміачної селітри, аммоналу тощо) та відокремленням за допомогою вибуху шматків породи, які потім надходять на дробіння.

На дробильно-сортувальних заводах та установках (рис.6.5) здійснюють одно-, двох- або багатоступінчасте дробіння вихідної сировини. Багатоступінчасте дробіння найпоширеніше, воно дає змогу отримати як крупні, так і дрібні фракції щебеню. При одноступінчастому дробінні не вдається забезпечити високий ступінь подрібнення, тобто відношення розмірів шматків до і після дробіння. Одноступінчасту схема використовують на підприємствах малої потужності при найбільших розмірах шматків породи 400...450 мм.

За способом подрібнення матеріалу дробильне обладнання буває з періодичним (щокові та конусні дробарки) та безперервним натисканням дроблячих поверхонь (дробарки валкові та ударної дії - молоткові та роторні).

Дроблений матеріал сортується по фракціям механічним, гідравлічним та повітряним способами. При механічному способі каміння сортують за допомогою грохотів. На підприємствах нерудних будівельних матеріалів найпоширеніші вібраційні грохоти, в яких установлюють одне або два сита.

Каміння можна дробити за відкритим та закритому циклам. При відкритому циклі матеріал один раз проходить крізь дробарку, надходить на сортування, а потім на склад готової продукції. При закритому циклі каміння, що не пройшло верхнє сито, знову надходить на дробіння, що дає змогу досягти більшої продуктивності дробарок, регулювати вихід та крупність готових продуктів.

Рис. 6.5. Схема добування щебеню:

І-камінь; 2-щокова дробарка; 3,5,9-конвеєри; 4,7-гуркоти; 6-конусна

дробарка; 8-буикер; 10-склади фракцій щебеню.

Пилуваті та глинисті домішки, що забруднюють дроблене каміння, вилучають промиванням, для чого використовують лопатеві, барабанні або вібраційні промивні машини. Вібраційні машини менш метало- та енергомісткі, потребують менше води.

Поряд з промиванням використовують спеціальні методи збагачення нерудних матеріалів. Переробляючи низькоякісну сировину на щебінь, застосовують зокрема спосіб вибіркового дробіння, заснований на більш інтенсивному руйнуванні шматків слабких порід. Гравітаційне збагачення ґрунтується на залежності між міцністю та густиною породи. Неоднорідні за густиною зерна матеріалу розділяються у спеціальних відсажувальних машинах у поперемінно висхідних та низхідних струменях води або у важких середовищах (водних суспензіях магнетиту або феросиліцію), густина яких має проміжне значення між густинами фракцій, які розділяються.

Рихлі породи (гравій, пісок, гравійно-піщані суміші) добувають відкритим способом, переважно одно- або багатоковшовими екскава-торами. Поряд з сухим способом на піщано-гравійних кар'єрах застосовують гідромеханізоване добування. Розроблювана цим способом порода при динамічній дії води відділяється, розрихлюється і транспортується землесосним обладнанням у вигляді пульпи на склад або на переробку. Питомі капіталовкладення на добування нерудних копалин гідромеханізацією порівняно з іншими способами менші приблизно на 20....25%, а собівартість - на 30....40%.

Штучний камінь з легкодобуваних гірських порід - мармуру, вапняку, туфу одержають каменерізальними машинами, робочами органами яких є горизонтальні та вертикальні дискові пилки, встановлені на візку, що пересувається у кар'єрі по рейках уздовж забою. Камене-різальні машини дають змогу механізувати як різання каменю, так і допоміжні операції, пов'язані з його штабелюванням та транспортуванням із забою. Продуктивність каменерізальних машин становить 0,75 м³/год.

Крім машин з дисковими різальними інструментами застосовують машини з ланцюговими пилами. Продуктивність машин на породах середньої твердості збільшується у 4.,.,5 разів, якщо використовуються алмазні різальні насадки.

Облицювальні вироби з твердих порід отримують відокремленням від масиву крупних монолітів, які розподіляються на блоки та плити. Для відокремлення монолітів використовують буроклиновий, буровибуховий способи, ударні врубові машини. При буроклиновому способі відокремлюваний об'єм каменю обурюють по контуру пневматичними перфораторами і в шпури вводять гідравлічні або механічні клини, які розколюють породу по заданій площині. Для кварцемістких порід групи граніту використовують термічний спосіб. Він заснований на руйнівній дії внутрішніх напруг, які виникають при термічних деформаціях мінералів під дією високої температури. Блоки розпилюють на плити або фасонні деталі рамними чи алмазними пилками.