Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной). Жаростойкие и химически стойкие материалы и изделия изготовляют из горных пород, не затронутых выветриванием. Для материалов и изделий, работающих в условиях высоких температур, используют хромит, базальт, диабаз, андезит, туф. Для защиты конструкций зданий от кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) применяют облицовочные плиты из гранита, сиенита, диорита, кварцита, андезита, трахита, базальта, диабаза и кремнистого песчаника. Защита от щелочей достигается применением изделий из плотных известняков, доломитов, мрамора, магнезита и известкового песчаника.
Для предохранения от действия высокой температуры и агрессивных сред используют камни правильной формы и фасонные, плиты облицовочные и плиты для полов (гладкие и рифленые), камень, щебень и песок для бетонов и растворов, а также тонкомолотые порошки в качестве наполнителя для бетонов, растворов, мастик, замазок, шпаклевок и грунтовок.
Щебеньполучают дроблением различных горных пород до размера 5-70 мм. Прочность щебня характеризуют маркой, соответствующей пределу прочности исходной горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии и определяемой по дробимости щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре. По этому показателю щебень подразделяется на марки: из изверженных пород – 1400, 1200, 1000, 800 и 600; из осадочных и метаморфических пород – 1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200.
Щебень высшей категории качества должен иметь марку по прочности не ниже 600 для щебня из осадочных пород и не ниже 800 из изверженных и метаморфических пород. Кроме того, щебень, предназначенный для строительства автомобильных дорог, характеризуется износом в полочном барабане. По этому показателю установлено четыре марки щебня: И-I, И-II, И-III и И-IV. В зависимости от назначения качество щебня определяют по следующим показателям: гранулометрическому составу, форме зерен, содержанию зерен слабых пород, наличию пылевидных и глинистых частиц, прочности и морозостойкости; кроме того, по петрографической характеристике плотности: истинной (без пор), средней (включая поры), насыпной (включая поры и межзерновые пустоты); пористости, пустотности и водопоглощению.
Гравий– это рыхлое скопление обломков горных пород размером 5-70 мм, обкатанных в различной степени. Песок– рыхлая масса, состоящая из зерен минералов и пород размером 0,16-5 мм. В зависимости от минералогического состава различают кварцевые, полевошпатовые, карбонатные пески. Применяют их для приготовления растворов и бетонов, для устройства оснований дорожных покрытий, дренажных сооружений.
Перевозка и хранение материалов и изделий из природного камня. Облицовочные плиты, камни и другие изделия после их изготовления маркируют. Для этого на тыльной стороне облицовочной плиты или на торцовой части камней несмываемой краской указывают тип камня, плиты или блока, основные размеры (длину, ширину). На блоке, предназначенном для распиловки, также указывают его объем и наименование (шифр) карьера-изготовителя.
Изделия при перевозке следует предохранять от загрязнения и повреждений. Бутовый и валунный камень, щебень, брусчатку и колотый камень необходимо перевозить навалом или в контейнерах. Бутовый камень хранят в штабелях навалом по маркам и породам, а брусчатку – в штабелях по сортам и классам.
Блоки для распиливания, крупные стеновые блоки, бортовые камни разрешается перевозить на открытых платформах без тары с укладкой правильными рядами на подкладках и прокладках с учетом обеспечения предохранения от повреждений. Хранение их разрешается на открытых спланированных площадках, обеспечивающих отвод ливневых вод. Облицовочные плиты перевозят в прочной таре в вертикальном положении попарно, лицевыми поверхностями друг к другу, с прокладкой бумаги между ними и закрепленными клиньями. Плиты изверженных пород разрешается перевозить без тары, установленными на ребро и разделенными деревянными прокладками; хранить их можно на открытых складах. Плиты из мрамора, известняков и туфа хранят в закрытых складах.
Породообразующие минералы
Строительные свойства горных пород в значительной степени зависят от их минералогического состава. Одни минералы отличаются высокой прочностью, твердостью, химической стойкостью (кварц), другие имеют низкую прочность, размокают в воде (гипс). Отдельные минералы обладают спайностью и способны легко расщепляться по одному или нескольким направлениям (слюда), понижая этим прочность породы, в состав которой они входят, и т. д.
Отличительными показателями минералов служат их химический состав и физические свойства – плотность, твердость. Среди большого разнообразия природных минералов только небольшая их часть принимает основное участие в образовании горных пород. Поэтому эти минералы принято называть породообразующими, к таковым относятся кварц, полевые шпаты, слюды, железисто-магнезиальные минералы, карбонаты и сульфаты.
Кварцпо химическому составу является диоксидом кремния Si0 2. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы (кварцевых песка и стекла, горного хрусталя) или входящий в состав полиминеральных горных пород. Плотность кварца 2650 кг/м , твердость 7, предел прочности при сжатии около 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой, и обладает высокой атмосферостойкостью. При температуре 18–20 °C кварц не реагирует с известью Са(ОН) 2, но в среде насыщенного водяного пара и при температуре 150–200 °C вступает с ней в реакцию, образуя гидросиликаты. Это свойство кварца используется при получении каменных материалов из смеси кварцевого песка и извести, именуемых силикатными. При повышении температуры кварц претерпевает физические изменения. Так, при температуре 575 °C кварц из (3-модификации переходит в a-модификацию, скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5 %. При температуре 870 °C кварц переходит в тридимит, значительно увеличиваясь в объеме, так как плотность тридимита равна 2260 кг/м , (3-кварца – 2650 кг/м . При температуре 1710 °C кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.
Полевые шпатыпо химическому составу представляют собой алюмосиликаты – соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. Твердость их равна 6. По характеру проявления спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы– прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы– косо раскалывающиеся. К последним относятся альбит (натриевый полевой шпат) и анортит (или кальциевый полевой шпат). Полевые шпаты имеют предел прочности на сжатие 120–170 МПа, плотность – от 2500 (ортоклаз) до 2760 кг/м (анортит). По сравнению, например, с кварцем они легко выветриваются. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит, входящий в состав глин, а иногда и кальцит.
Слюды -водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. В биотитесодержатся примеси в виде оксида магния и железа, вследствие чего этот минерал непрозрачен и имеет темный, а иногда и черный цвет; мусковитпрозрачен, так как не имеет этих примесей. Слюды легко расщепляются на тонкие упругие пластинки, что характеризует их совершенную спайность. Плотность мусковита 2760–3100 кг/м , а биотита 2800–3200 кг/м , твердость 2–3. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород. Выветривается он быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах.
К железисто-магнезиальным минераламотносятся пироксены (наиболее распространенный представитель – авгит), амфиболы (роговая обманка) и оливин. Железисто-магнезиальные минералы имеют сложный химический состав; в основном это силикаты магния и железа. Они имеют темную окраску зеленого, бурого, а иногда и черного цвета. Плотность 3000–3600 кг/м , твердость 5,5–7,5. Минералы этой группы (за исключением оливина) обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания. Продуктом выветривания оливина является серпантин, одна из разновидностей которого, хризолит-асбест, имеет волокнистое строение и состоит из тончайших, очень прочных волокон. Перечисленные минералы входят преимущественно в состав изверженных горных пород.
Важнейшими породообразующими минералами осадочных горных пород являются кальцит, магнезит, доломит, гипс и ангидрит.
Кальцит(известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры.
Кальцит образует крупно-, средне– и мелкозернистые породы; плотность его 2700 кг/м , твердость 3. Он растворим в воде (0,03 г в 1 л), бурно реагирует с кислотами. Вода разрушает кальцит, так как при этом образуется кислый углекислый кальций, который растворим в воде более чем в 100 раз по сравнению с СаС0 3.
Магнезит, в отличие от кальцита, встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.
Доломит -минерал, который по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. Доломит по физическим свойствам аналогичен магнезиту.
Гипспредставляет собой минерал пластинчатого, волокнистого или зернистого строения, плотность 2300 кг/м , мягкий – твердость 2. Гипс имеет белый цвет, иногда окрашен примесями в различные цвета: серый, красноватый, желтоватый и черный. Гипс обладает сравнительно легкой растворимостью в воде (примерно в 75 раз большей, чем кальцит).
Ангидрит -безводная разновидность гипса. Плотность ангидрита 2800–3000 кг/м , твердость 3–3,5; цвет – от красновато-белого до серого. При длительном воздействии воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.
Каолинитпредставляет собой водный силикат алюминия. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветны, а сплошная масса может иметь белый, желтоватый, буроватый и голубовато-зеленоватый цвета. Твердость 2,5.
Пирит, серный колчедан, апатит (кальциевая соль фосфорной кислоты) и другие встречаются в горных породах в качестве второстепенных минералов.
Классификация горных пород
Согласно генетической классификации, горные породы подразделяются на три большие группы: изверженные (к этой группе принято относить подгруппу излившихся горных пород), осадочные и метаморфические.
Изверженные горные породы
Среди изверженных горных пород различают массивные, изменившиеся и обломочные, образовавшиеся в результате разрушения массивных пород.
Массивные глубинные горные породы(граниты, сиениты, диориты и габбро) образовались в результате медленного охлаждения магмы на большой глубине под значительным давлением и в результате этого полной ее кристаллизации. Все глубинные породы характеризуются высокой плотностью и ярко выраженной кристаллической (крупнокристаллической) структурой.
Гранит– наиболее распространенная глубинная горная порода, состоящая в основном из кварца, полевого шпата и слюды. Иногда слюда заменена темноокрашенными (железисто-магнезиальными) минералами. Цвет гранита зависит от главной составной части – полевого шпата и наличия темных минералов. Он бывает серый, красный и пр. Зерна минералов имеют настолько прочную спайность, что излом чаще происходит не по плоскости спайности, а по зернам минералов. Плотность гранита в среднем 2600 кг/м , предел прочности при сжатии – 100–300 МПа при расширении 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Большая механическая прочность, стойкость против выветривания и морозостойкость обусловливают высокие строительные свойства гранита и изготовленных из него строительных материалов и изделий. Гранит применяют для изготовления облицовочных плит, лестничных ступеней, полов, бортовых камней, щебня и др., используют при строительстве гидротехнических сооружений и сооружений памятников.
Сиенитсостоит в основном из полевого шпата (ортоклаза) и какого-нибудь темноокрашенного минерала. Строение сиенита сходно с гранитом. Плотность составляет 2400–2900 кг/м , предел прочности при сжатии – 150–200 МПа. Сиениты мягче гранитов, лучше поддаются полировке, обладают большей вязкостью. Используют сиениты наряду с гранитами. Между гранитами и сиенитами имеются переходные разности – граносиениты.
Диоритыпо минералогическому составу представлены плагиоклазом, роговой обманкой, реже – биотитом и авгитом. Цвет диорита от темно-зеленого до черно-зеленого. Плотность – 2700–2900 кг/м , предел прочности при сжатии – 180–200 МПа. Диориты трудно обрабатываются, обладают большим сопротивлением истиранию, хорошо полируются, стойки против выветривания. Применяют диориты в дорожном строительстве и в виде облицовочных плит.
Габбро -кристаллическая горная порода, состоящая в основном из плагиоклаза и темноокрашенных минералов (пироксены в виде авгита). Реже в состав габбро входят биотит и роговая обманка. Цвет габбро может быть от серого и зеленого до черного. К группе габбро относится также лабрадорит – горная порода, состоящая в основном из минерала лабрадора (разновидности полевого шпата) серого, зеленовато-серого или темного цвета с синим отблеском на плоскостях спайности. Плотность габбро очень высокая и равна 2900–3160 кг/м , предел прочности при сжатии – 100–280 МПа, а иногда и до 350 МПа. Габбро стоек против выветривания, трудно обрабатывается, но дает хорошую долговечную полировку. Применяют его для гидротехнических и других видов сооружений в виде разнообразных строительных материалов – щебня, облицовочных плит и т. д. Лабрадорит, обладающий красивой расцветкой, используют как облицовочный материал.
Излившиеся горные породыобразовались при остывании магмы, излившейся на поверхность земной коры. Структура излившихся горных пород может быть полукристаллической, зернистой и стекловидной. Излившиеся породы имеют химический и минералогический состав такой же, как и глубинные, обладают примерно теми же физико-механическими свойствами, но отличаются мелкокристаллической (до стекловидной) структурой.
Кварцевый порфир– аналог гранита – имеет стекловатую структуру с вкраплением крупных зерен кристаллов кварца. При выветривании эти зерна могут выпадать из основной массы горной породы. Плотность – 2400–2600 кг/м , предел прочности при сжатии – 130–180 МПа. Используют его в виде щебня или штучного камня. Наряду с кварцевым порфиром существует бескварцевый порфир (аналог сиенитов), в котором кварц отсутствует.
Трахит -горная порода, по химико-минералогическому составу сходная с порфиром, но образовавшаяся в более поздние геологические периоды. Трахит отличается высокой пористостью и относительно низким пределом прочности при сжатии – 60–70 МПа.
Диабаз -аналог габбро – состоит из плагиоклаза и авгита и имеет в своем составе примеси кварца и роговой обманки. Плотность равна 2800–3000 кг/м , предел прочности при сжатии составляет 200–300 МПа, цвет темно-серый. Диабаз хорошо полируется. Применяют его в виде щебня, штучных камней, плит, брусчатки, в качестве облицовочного материала. Из расплавленного диабаза при температуре 1200–1350 °C отливают различные изделия. Плавленый диабаз стоек к кислотам и щелочам, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Прочность плавленого диабаза составляет около 500 МПа.
Базальтпо химическому и минералогическому составу является аналогом габбро. Это минерал темного цвета, скрытокристаллической структуры с некоторым количеством вулканического стекла, и состоит он из плагиоклаза и авгита. Плотность – 2700–3300 кг/м , предел прочности при сжатии – 100–150 МПа. Высокая твердость и прочность базальтов позволяют использовать их в качестве материалов для дорожных покрытий. Применяют базальт как сырье для изготовления каменного литья.
Порфирити андезит -аналоги диорита. Порфирит – более старая, а андезит – более молодая горная порода; цвет их серый, серовато– и желтовато-зеленый. Плотность – 2200–2800 кг/м , предел прочности при сжатии – 60-240 МПа. Порфириты применяют в качестве облицовочного материала, щебня и дорожной брусчатки, а андезит (как кислотостойкий материал) – в качестве заполнителя в кислотоупорных бетонах, а также для специальных облицовок.
Обломочные породыделят на рыхлые (пемза, вулканические пеплы и др.) и цементированные (вулканический туф).
Пемзаобразовалась при быстром остывании магмы и интенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу. Последующее быстрое остывание вспученных кусков магмы приводит к образованию стекловидной пористой породы. Цвет пемзы серый, черный и иногда белый. Пемза состоит из кремнезема (до 70 %) и глинозема. Залегает пемза в виде обломков размеров 5-50 мм в диаметре, выброшенных во время извержения вулканов. Плотность пемзы в куске – 400-1400 кг/м , пористость до 80 %, предел прочности при сжатии – 0,4–2,0 МПа, твердость – 6. Используют пемзу как щебень для легких бетонов, в качестве теплоизоляционного материала, а также как активную минеральную добавку к извести и цементам.
Вулканический пепелвстречается в виде порошка от серого до черного цвета. Применяют его для получения легких растворов и бетонов, а также в качестве активной минеральной добавки к вяжущим веществам.
Вулканические туфы -сцементированная туфовая лава, образованная при примешивании во время извержений к жидкой лаве пепла и песка. В результате быстрого охлаждения туфы имеют стекловидное строение. Типичным представителем вулканического туфа является артикский туф. Плотность туфа в куске – 1250–1350 кг/м , пористость – 40–70 %, предел прочности при сжатии– 8-19 МПа и выше, теплопроводность – 0,21-0,33. Цвет розовато-фиолетовый. Применяют вулканические туфы в качестве песка или щебня для легких бетонов и растворов, крупных стеновых блоков, а также активной добавки к воздушной извести или цементу. Высокие декоративные качества и морозостойкость позволяют широко применять туф в качестве облицовочного материала для фасадов зданий.