Характеристика и применение природных каменных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения

Природный камень служил основным строительным материалом еще первобытному человеку. Все древние постройки: храмы, дворцы, крепости, мосты, акведуки, ритуальные сооружения возводились из природного камня и поражают современного человека, как удивительные "Чудеса Света". Во многих странах: Египте, Мексике, Греции, Италии, Китае, Камбодже, Индии сохранилось большое количество выдающихся памятников каменного зодчества, являющихся архитектурно-строительной составляющей древнейших цивилизаций, существовавших на Земле.

Каменные природные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки, изготовлены из местного сырья. В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих конструкций, т.к. они трудоемки, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но из-за положительных эксплуатационных и эстетических качеств продолжают широко применяться для облицовочных работ, устройства полов, дорожных покрытий и пр.

Пористые природные материалы применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающей промышленности используются в качестве заполнителя для бетонов, изготовления других искусственных каменных изделий на минеральном и органическом вяжущем.

2. Обработка природных каменных материалов

По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие основные виды:

- грубо обработанные (бутовый камень, валунный камень, щебень, гравий и песок);

- изделия и профилированные детали из природного камня;

- штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен и др.);

- плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, чистого пола и др.);

- профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т.п.);

- изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения).

По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на:

- пиленые (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола);

-колотые (бортовые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.).

Используя ударную и абразивную обработку, природному камню придают ту или иную фактуру - различный характер поверхности.

Ударная обработка заключается в обкалывании поверхности камня с помощью камнетесаного инструмента со сменными наконечниками: для тески пользуются широким долотом-скарпелью, скалывание неровностей производят спицей - остроконечным долотом, для чистой обработки лицевой поверхности применяют бучарду со средней или мелкой насечкой.

Ударная обработка дает возможность получить следующие фактуры: фактуру скалы с буграми и впадинами, как при естественном расколе породы; рифленую с правильным чередованием гребней и впадин глубиной до 2 мм; бороздчатую - с параллельными прерывистыми бороздками глубиной 0,5-1 мм; точечную - шероховатую с точечными углублениями 0,5-2 мм.

природный каменный материал

Виды фактур камня: а) бугристая фактура скалы; б) рифленая; в) бороздчатая; г) точечная

Абразивная обработка включает распиливание, фрезерование, шлифовку и полировку.

Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых пород производят камнерезными машинами. Режущими элементами машин являются дисковые пилы. Быстровращающиеся стальные диски имеют на ободе резцы, армированные твердыми сплавами или алмазами.

Распиливание блоков из мрамора, известняка и других пород ведут при помощи рамных пил, армированных твердосплавными вставками или снабженных алмазными резцами. Алмазные резцы увеличивают скорость резания в 5-10 раз и снижают расход электроэнергии в 2-2,5 раза по сравнению с резцами карборундовыми или из твердых сплавов. Кроме того, алмазные резцы позволяют значительно увеличить выход готовой продукции. Ширина пропила сокращается примерно в 3 раза, а расход сырья - на 12-18%.

Алмазными резцами можно изготавливать тонкие плиты толщиной всего 5-10 мм, поэтому из 1 м камня получают 40-45 м плит, что обуславливает их низкую себестоимость. К тому же обеспечивается высокая чистота поверхности резания.

Камнерезная машина с дисковыми пилами

Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков, карнизов и т.п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют камнефрезерные и универсальные профилирующие машины.

Шлифовку и полировку производят на шлифовально-полировальных станках с вращающими дисками, которые перемещают по поверхности изделия.

Шлифуют с применением зернового абразива: корунда, карбокорунда или мелких пылевидных алмазов, применение которых, как и при распиливании, увеличивает производительность оборудования. После шлифовки камень имеет гладкую матовую поверхность.

Полировка осуществляется войлочными полировальными дисками с использованием мастик и тонких полирующих порошков из оксидов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотнокислого олова. После полировки поверхность плотного камня становится зеркально гладкой.

Абразивная обработка дает фактуры:

- пиленую - с тонкими штрихами и бороздками глубиной до 2 мм;

- шлифованную - равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,05 мм;

- лощеную-гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня;

- зеркальную-гладкую с зеркальным блеском.

Для обработки некоторых видов горных пород применяют термический метод, основанный на воздействии струи газа с высокой температурой. Она достигается сжиганием бензина в воздушной струе. При обработке бензовоздушными термоотбойниками камень нагревается неравномерно и возникающие термические напряжения вызывают скалывание верхнего слоя.

В некоторых случаях с помощью термической обработки оплавляется поверхностный слой камня, что позволяет получить своеобразную "глазурованную" фактуру и изменить естественный цвет породы.

3. Классификация природных каменных изделий

По показателям плотности природные камни делятся на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/см 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/см (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 средне-зернистые 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.

4. Характеристика и применение природных каменных изделий

Грубообработанные каменные изделия

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 камнекольным 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.

Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных примесей (глины, пыли).

Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) с размерами 0,16-5 мм. Применяют природные и искусственные (дробленые) пески.

Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов. Предприятия-поставщики на эти материалы должны выдавать сертификат радиационно-гигиенической оценки о содержании естественных радионуклидов.

Камни и плиты. Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания механизированным способом из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок.

Основные размеры стеновых камней: 390x190x188; 490x240x188; 390x190x288 мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8-12 кирпичей. Целесообразно изготовлять и применять стеновые блоки объемом не менее 0,1 м из туфа, известняка, доломита, песчаника или пористого андезита (рис.3). Укрупнение камней уменьшает затраты труда, позволяет перейти к индустриальным методам строительства. Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки.

Блоки: а) колотый; б) тесаный; в) пиленый

Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, морозостойкость - не менее 15.

Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более).

Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников, туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора, ангидрида, гипса.

Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4-8 см, для внутренней - 1,2-4 см. Применение алмазных резцов позволяет изготовлять тонкие (5-10 мм) экономичные плиты, стоимость которых в 2-4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты находят широкое применение, особенно для внутренней облицовки.

Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и действия высоких температур. Для защиты от растворов кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют андезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и другие кислотостойкие породы.

Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега.

Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойства, соответствующие архитектуре интерьера.

Природные каменные материалы применяют в больших количествах для гидротехнических сооружений. В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Защитную облицовку в этой зоне устраивают из плотных изверженных пород, имеющих водопоглощение не более 1%, марку по прочности - не ниже 80-100 МПа и по морозостойкости - 150-500 в зависимости от класса сооружения, климатических и других условий эксплуатации. Соответствующим требованиям должны удовлетворять и материалы для каменных набросных плотин. Внутренние части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных пород марок 30-60 МПа с коэффициентом размягчения не менее 0,7-0,8. Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной).

Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие - до 40 см и низкие - до 30 см. Эти камни применяют вместо бетонных при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диабаза и др.). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды).

Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных ему слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20-80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см.

Каменные кислотоупорные изделия. Некоторые магматические и метаморфические (кварциты) горные породы используют для футеровки разнообразных установок и аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытывающих влияние высоких и резко меняющихся температур и давлений. Кислотоупорные породы идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, а в дробленном и размолотом виде служат в качестве заполнителей и наполнителей в кислотоупорном бетоне, являются составными частями кислотоупорных цементов.

В соответствии с назначением применяемые горные породы должны удовлетворять определенным требованиям, а именно: быть кислотоупорными, т.е. хорошо сопротивляться воздействию различных кислот и других реагентов; это свойство оценивается по растворимости порошка породы в концентрированных кислотах (соляной, серной) при нагревании; иметь высокую огнеупорность; обладать достаточным сопротивлением сжатию и изгибу, а также вязкостью; выдерживать резкие колебания температур.

Из изверженных горных пород кислотоупорными являются главным образом кислые мелкокристаллические, к которым относятся бештаунит, андезиты, граниты и некоторые туфы, а из метаморфических - кварциты.

Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы. Полноценным заменителем камня служит значительно более дешевый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает также искусственный литой камень (базальтовый, диабазовый).

5. Предохранение каменных материалов от разрушения

Основные причины разрушения природных каменных материалов в сооружениях: замерзание воды в порах и трещинах, вызывающие внутренние напряжения; частое изменение температуры и влажности, вызывающее появление в материале микротрещин; растворяющее действие воды и понижение прочности при водонасыщении; химическая коррозия, происходящая под действием газов, содержащихся в атмосфере (SO, СО и др.), и веществ, растворенных в грунтовой или морской воде.

Конструктивную защиту открытых частей сооружений (цоколей, карнизов, поясков, столбов, парапетов) сводят к приданию им такой формы, которая облегчает отвод воды. Этому же способствует гладкая полированная поверхность облицовки и профилированных деталей.

Стойкость пористых каменных материалов, которые не полируются, повышают путем пропитки поверхностного слоя уплотняющими составами и нанесения на лицевую поверхность гидрофобизующих (водоотталкивающих) составов.

Кремнефторизацию (или флюатирование) применяют для повышения стойкости наружной облицовки и других материалов, полученных из карбонатных пород. При пропитывании известняка раствором флюата (соли кремнефтористоводородной кислоты) происходит химическая реакция

2СаСО + МgSiF = 2СаF + МgF + SiO + 2 СO.

Полученные нерастворимые в воде вещества СаF, МgF и SiO отлагаются в порах и уплотняют лицевой слой камня. В результате этого уменьшается его водопоглощение и возрастает морозостойкость; облицовка из камня меньше загрязняется пылью.

Некарбонатные пористые каменные материалы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей (например, СаСl), а после этого пропитывают флюатами.

Гидрофобизация, т.е. пропитка гидрофобными составами (например, кремнийорганическими жидкостями), понижает проникновение влаги в пористый камень, в частности, при капиллярном подсосе. Применяют для защиты камня от коррозии пленкообразующие полимерные материалы - прозрачные и окрашенные. Также пропитывают поверхность камня мономером с последующей его полимеризацией.

Размещено на Allbest.ru