Розділ 2. Природні кам'яні матеріали

До природних кам'яних матеріалів належать матеріали мінера­льного походження, які виготовляються шляхом механічної обробки гірських порід. Природні матеріали - пісок, піщано-гравійні суміші, бутовий камінь, щебінь та інші застосовують для зведення інженерних споруд (фундаментів, дамб, доріг), а також як заповнювачі бетону.

2.1. Основні види гірських порід

Гірські породи - це мінеральні агрегати певного хіміч­ного складу, які утворюють земну кору. За походженням вони поді­ляються на три групи: магматичні, або вивержені, які утворились вна­слідок отверднення у надрах земної кори (глибинні) або на її поверхні (виливні) силікатних розплавів (магми); осадові. які виникли внаслі­док перенесення і відкладення продуктів руйнування гірських порід і органічних залишків; метаморфічні - продукти перекристалізації та структурної зміни вивержених і осадових порід під впливом високої температури та тиску.

Склад і структура гірських порід. Всі гірсь­кі породи складаються із мінералів, тобто хімічних сполук, які утво­рились внаслідок різних фізико-хімічних процесів, що відбуваються у природі. На даний час відомо біля двох тисяч мінералів, однак кіль­кість основних породоутворюючих мінералів порівняно невелика - це кварц, польові шпати, кальцит, доломіт, слюди, амфіболи, піроксени та інш. Мінералогічний склад гірських порід вивчають мікроскопіч­ним методом. Розрізняють мінерали і за деякими їх характерними особливостями - твердістю, блиском, спайністю, зламом, кольором, формою кристалів. Так, кварц характеризується прозорістю, скляним блиском; нерівним зламом; польовий шпат - гладкими рівними повер­хнями з блиском; слюди - досконалою спайністю в одному напрямку і здатністю розшаровуватись на лускуваті листочки; піроксени - чор­ним офарбленням і здатністю до кристалізації у вигляді зерен або ко­ротких стовбчастих кристалів. Кальцит і доломіт в карбонатних поро­дах легко визначити за явищем "кипіння" під дією соляної кислоти.

Важливими факторами, які визначають властивості гірських по­рід, є їх структура і текстура. С т р у к т у р а характеризує ступінь кристалізації, розміри і форму кристалів, текстура - відносне просто­рове розташування компонентів у породі. Розрізняють чотири основ­них типи структур: кристалічно-зернисту, приховано-кристалічну, склувату та уламково-цементовану.

В залежності від розмірів зернин структура може бути дрібно- (2...3 мм) та крупнокристалічною (понад 5 мм). За ступенем кристалі­зації структура поділяється також на повнокристалічну і порфірову, для якої є характерним утворення окремих крупних зерен серед одно­рідної маси. Повнокристалічну структуру із крупними і середніми розмірами кристалів мають звичайно глибинні вивержені та метамор­фічні породи. Порфірова дрібнокристалічна структура притаманна виливним, також деяким карбонатним породам. Зерна мінералів такої структури можна розрізнити тільки під мікроскопом. Для гірських по­рід з уламковою цементуючою структурою характерна наявність це­ментуючої маси, яка консолідує уламки порід. Таку структуру мають піщаники, деякі карбонатні та інші осадові і метаморфічні породи.

На відміну від структури т е к с т у р а відображує просторове розташування зерен та кількість речовини в одиниці об'єму. Так, ви­верженим породам притаманна масивна текстура із рівномірним роз­поділенням зернин мінералів. Для низки метаморфічних порід є хара­ктерною сланцева або шарувата текстура.

Хіміко-мінералогічний склад та структурно-текстурні особливо­сті гірських порід визначають їх фізико-механічні властивості. Породи із однорідною кристалічно-зернистою структурою мають високу міц­ність при стисканні, низьке водопоглинання, є стійкими проти вивіт­рювання. Дрібнозернисті породи є більш міцними у порівнянні із кру- пнозернистими. При переважній наявності у породі скла її міцність буде більш низькою, вона буде більш схильною до температурних змін.

Магматичні (вивержені) породи переважно розповсюджені у земній корі. До їх складу належать в основному мі- нерали-силікати, усереднений склад яких наступний (%): польові шпати - 60, кварц - 12, амфіболи й піроксени - 17, слюди - 4, інші - 6. За вмістом кремнезему вони поділяються на групи: ультраосновні - менш 40% 8іО₂ (дуніти, олівініти, піроксени), основні - 40... 52% 8іО₂ (габро, базальти, діабази), середні - 52...65% 8іО₂ (діорити, порфірити, сієніти), кислі - 65..75% 8іО₂ (граніти, ліпарити, порфіри), ультракислі (аляскити).

Найбільш розповсюджені глибинні кислі вивержені породи - граніти (структура граніту наведена на рис.2.1). На другому місці - виливні основні породи - базальти. У табл. 2.1 наведені основні фізи- ко-механічні властивості розповсюджених гірських порід.

Таблиця 2.1 Основні фізико-механічні властивості деяких гірських порід Порода Густина, кг/м^3 Границя міцності при стисканні, МПа Водопог- линання, % Старан­ність, г/см^2 Граніт 2500...2700 100...250 0,1...1 0,1...0,5 Базальт 2200...3000 200...300 0,01...0,2 0,4...1 Вапняки щільні 1800...2700 3,5...200 0,5...30 2...5 Вапняки пористі (че- репашники) 900...2000 0,4...20 6...40 — Піщаники 1900...2800 10...200 0,2...2,5 0,1...2 Гнейси 2400...2800 50...240 0,1...1 — Кварцити 2500...2700 120...400 0,01...0,2 0,1...3

 

Осадові породи. На відміну від вивержених, осадові породи розповсюджені переважно на поверхні земної кори, де вони складають 70...75% площі. За способом утворення їх поділяють на 3 групи: уламкові - піски, глини, гравій, валуни; хімічні - сульфати, ка­рбонати та інші; органогенні - крейда, трепел, діатоміт та інші. Від способу утворення та складу вихідних порід залежить і хіміко- мінералогічний склад осадових порід. Крім мінералів вихідних гірсь­ких порід вони можуть містити і продукти їх розкладання, наприклад глинисті мінерали, також осади із розчинів (мінеральні солі).

Рис 2.1. Структура граніту (ви­гляд під мікроскопом). К - кварц, О - ортоклаз, С - слюда

 

У л а м к о в і п о р о д и утворились внаслідок вивітрювання вивержених гірських порід. Вони поділяються на рихлі та цементова­ні. У будівництві застосовують грубоуламкові (понад 1...2 мм), серед- ньоуламкові (0,1...2 мм), тонкоуламкові (не більш 0,01 мм). До грубо­уламкових належать валунно-гравійні породи, з яких добре окатани- ми, що містять незначну кількість слабких порід, та морозостійкими є гравій, галька, валуни, що накопичуються у річкових долинах. Най­більш розповсюдженими середньоуламковими породами є піски та їх зцементовані різновиди - піщаники. Природні піски складаються пе­реважно із зерен кварцу. Піщаники можуть містити кремнеземисту, карбонатну, гіпсову, глинисту та ін. цементуючі речовини. Найбільш міцними є кварцові піщаники із кремнистим цементом, найменш міц­ними - із глинистим. Із тонкоуламкових порід розповсюджені глини.

Хімічні органогенні породи утворились в основному шляхом осадження із водних розчинів. У будівництві та промисловості будіве­льних матеріалів широко застосовують карбонатні породи: вапняки, мергелі (породи, які містять глину і карбонат кальцію), кремнеземисті породи (діатоміт, трепел, опока). Осадові породи більш неоднорідні за властивостями у порівнянні із виверженими (табл. 2.1).

Метаморфічні породи. Із порід цього типу як буді­вельний камінь та сировину застосовують гнейси, кварцити, мармур та ін. Найбільш розповсюджені гнейси, які за мінеральним складом

нагадують граніт і мають характерну сланцеподібну текстуру.

Кварцити утворились внаслідок метаморфізації кварцових пі­щаників. Це є найбільш міцні породи (табл. 2.1). Мармур утворився внаслідок перекристалізації вапняків і доломітів і використовується в основному як лицювальний матеріал.

2.2. Характеристика природних кам'яних матеріалів

та їх добування

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

Рваний та подрібнений камінь. Рваний буто- вий камінь отримують шляхом вибухового висаджування гірської ма­си. Застосовують його для кладки фундаментів, у шляховому будівни­цтві, при зведенні стін нежитлових 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 морозостійкістю 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 скловидних. При подрібненні на дробарках ударної дії збільшується вихід зернин, близьких до кубічної форми. Для покращання властиво­стей кам'яних матеріалів їх очищують від забруднення, збагачують

Рис. 2.3. Форма отриманого щебеню (б) в залежності від форми окремих кусків гірської породи (а): 1 - бриловидна; 2 - кубовидна; 3 - пластова; 4 - плитовидна; 5 - пластинчаста; 6 - пластинчастопальцевидна; 7 - призматична; 8 - кутовата; 9 - сфероподіб- на; 10 - шкаралупоподібна.

2 4 6 6 Ю

більш міцними зернами з поліпшеною формою та поверхнею.

Рис. 2.2. 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 фракційованого щебеню; 11 - екскаватор для довантаження щебеню.

 

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

Стінові камені нарізають із легких пористих гірських порід (вапняків, черепашників, туфів) з середньою густиною не більш 2100 кг/м³ за допомогою каменерізальних машин. Звичайні розміри стінового каменю - довжина 390, 490 мм, ширина 190, 240 мм, висота 188 мм, але виготовляють також і крупні стінові блоки довжиною 500...3020, шириною 400...500, висотою 820... 1000 мм. Марки за міц­ністю при стисканні коливаються від 4 до 400. Водопоглинання пови­нно бути не більш 30% (для туфу 50%), коефіцієнт розм'якшення - не менш 0,6, морозостійкість - 15 циклів.

Лицювальні плити для зовнішнього лицювання буді­вель і споруд найбільш часто застосовують із граніту та близьких до нього порід - лабрадориту, мармуру, кварциту, а для внутрішнього лицювання - із менш твердих порід - мармуру, вапняку, гіпсу. Плити товщиною від 15 до 140 мм отримують шляхом розпилювання блоків та обробки поверхні до певної фактури. Можливі фактури сколювання (рифлена термострумінна, точкова, борознами) та абразивна (поліро­вана, шліфована, пиляна).

До дорожніх кам' яних матеріалів належать колотий, булижний, бортовий камінь, бруківка. Бруківку отримують із вивер­жених гірських порід, стійких проти удару і стирання, з границею мі­цності при стисканні не менш 100 МПа у вигляді брусків довжиною 15...25, шириною 9...15, висотою 10...15 см. Її застосовують для улаш­тування дорожнього покриття і смуг кріплення на автомобільних до­рогах. Колотий і булижний камінь застосовують для улаштування до­ріг ІУ-У категорій, кріплення укосів, земляних споруд тощо. Бортовий камінь призначається для відокремлювання проїжджої частини вулиць і доріг від тротуарів і майданчиків. Як і інші дорожні камені, його ви­готовляють із високоміцних гірських порід, які мають морозостійкість не менш 50...100 циклів.

Вимоги до кам'яних матеріалів для бу- дівництва. У будівництві застосовують як рваний та подрібне­ний камінь, так і штучні вироби, які виготовляють із вивержених, оса­дових і метаморфічних порід високої міцності, водо- та морозостій­ких.

Природні камені поділяють: за середньою густиною в сухому

3 3

стані на важкі р_о > 1800 кг/м, середні р_о = 1500... 1800 кг/м і легкі р_о = 1000...1500 кг/м; за міцністю при стисканні на низькоміцні з гра­ницею міцності 2,5...10 МПа, середньої міцності - 15...40 МПа та ви­сокоміцні - 50 МПа та більше (таблиця 2.2.).

Таблиця 2.2. Основні характеристики кам'яних матеріалів, _ які застосовують у будівництві __   Марка каменю Середня густина, кг/м^3, не менше Коефіцієнт Водопогли- Порода за міцністю при розм'як- нання,   стисканні, МПа шення %, не більше Камені низькоміцні       0,6             Вапняк                             Камені середньої міцності       0,75   Вапняк, пі­         щаник                   Камені високоміцні Вапняк, до­ломіт, піща­ник     0,75                           Граніт, діо­рит, габро, 1000 та більше 2500 та більше 0,9       2300 та   0,5 Базальт більше                     Діабаз 1000 та більше 2900 та більше

 

Механічні властивості природного каменю визначають на зраз­ках циліндричної або кубічної форми, які мають діаметр або довжину ребра 50 мм (для низькоміцних порід 100 мм).

Для щебеню і гравію марку вихідної породи орієнтовно можна визначити за показником здатності до подрібнення (подрібнювальнос- ті):

_ т - т.._лл

Др =----- • 100,

^рт

де т - маса проби, кг; т₁ - 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, розмокаючих 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 вивіт - р ю в а н н я. Вивітрюванням називають руйнування гірських порід під впливом змінного зволоження й висихання, заморожування й від- таювання, нагріву й охолодження, хімічної взаємодії агресивного се­редовища з окремими компонентами каменя. Стійкість кам'яних ма­теріалів проти вивітрювання залежить від їх мінералогічного складу та структурно-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) флю- атами - солями кремнефтористоводневої кислоти. В результаті утво­рюються нерозчинні сполуки фтористого кальцію, магнію, кремневої 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.