Краткие выводы по теме: «Свойства материалов»

1 Исходя из условий работы, строительные материалы должны обладать определенной способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному действию воды и мороза, воздействию химических агрессивных веществ, а в конструкциях зданий и сооружений воспринимать те или иные нагрузки. При этом материалы, изделия и конструкции, обладая совокупностью различных свойств, должны обеспечивать долговечность и надежность при длительной эксплуатации.

2 Свойство – это отличительная особенность вещества, материала или изделия, которая проявляется во взаимодействии с окружающей средой или другими веществами и соединениями. Свойства материалов в основном предопределяются его составом и структурой и оценивают числовыми показателями, которые устанавливают путем испытаний.

3 Структурные характеристики материалов – масса, плотность, пористость, дисперсность и др.;

4 Свойства материалов классифицируют в соответствии с возможными на них воздействиями: физические, химические и механические.

5 Долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени

Тема 3 Материалы из природного камня

Материалы из природного камня получают путем добычи и обработки горных пород. Горные породы также являются сырьем для производства строительных материалов (керамики, стекла, металла, теплоизоляционных, гидроизоляционных и др.), их используют в качестве заполнителей для бетонов и растворов.. Россия по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах, дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья.

Горная порода – природная минеральная масса более или менее постоянного состава и строения, состоящая из одного минерала (мономинеральная) или нескольких (полиминеральная) минералов.

Наука, изучающая горные породы - петрография (гр. петрос – камень, графо – описываю).

Минералы – природные химические соединения, самостоятельные элементы, самородные вещества, возникшие в результате физико-химических процессов, протекающих в естественных условиях на земле, гидросфере и атмосфере, преимущественно твердые, однородные по своим физико-химическим свойствам.

Всего минералов в природе более 7000, в большинстве случаев минералы - твердые тела, иногда жидкие и газообразные. В образовании горных пород участвуют лишь около 50, из них 30-35 встречаются наиболее часто, входя в состав главнейших горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

В основу классификации минералов положен их химический состав и кристаллохимическое строение.

Каждый минерал характеризуется строго определенным химическим составом и рядом физических свойств: плотность, кристаллическое строение, твердость, цвет, цвет черты, характер излома, спайность и др.

 

Классификация и свойства минералов

Классификация минералов

Минералы подразделяются на классы. Рассмотрим те классы, минералы которых образуют горные породы, применяемые в строительстве.

I Класс - силикаты (лат. Silicium – кремний), таблица 1. Самые распространенные в природе минералы. По химическому составу силикаты рассматриваются как соли различных гипотетических кремниевых (железисто-магнезиальные) и алюмокремниевых (алюмосиликаты) кислот с подразделением на безводные и водные силикаты.

Таблица 1

I Класс силикатов
железисто-магнезиальные силикаты	алюмосиликаты
безводные:	водные:	безводные:	водные:
оливин	серпентин	полевые шпаты (калиевый, натриевый, кальциевый)	слюда мусковит
авгит	слюда биотит	каолинит
роговая обманка	вермикулит	монтмореллонит

 

Железисто-магнезиальные силикаты темноокрашенные минералы, имеют сложный химический состав, высокую ударную вязкость и обладают стойкостью против выветривания. Алюмосиликаты светлоокрашенные минералы. Каолинит и монтмореллонит – породообразующие минералы глин. Каолинит применяется в химической и фарфорофаянсовой промышленности, а также как огнеупорный материал. Глины с высоким содержанием монтмореллонита (бентонитовые глины) обладают большой адсорбционной способностью и применяются для очистки нефтепродуктов, растительного масла, уксуса, вина, для смягчения жестких вод.

II Класс – карбонаты, таблица 2, широко распространенный в природе класс минералов. Карбонаты - рассматриваются как соли угольной кислоты.

Таблица 2

II Класс карбонатов

кальцит

магнезит

доломит

III Класс – окислы – кислородные соединения, таблица 3.

Таблица 3

III Класс окислов

кварц (окись кремния)

корунд (окись алюминия)

гематит (окись железа)

Кварц (SiO₂) – наиболее распространенный минерал земной коры. В природе может находиться как в виде самостоятельной горной породы (кварцевый песок, кварцевое стекло, горный хрусталь), так и входит в состав многих горных пород (граниты, кварциты, гнейсы пески, песчаники и т.д.).

Корунд (Al₂O₃) – в качестве породообразующего минерала встречается в гнейсах и кристаллических сланца. Порошок корунда применяется для шлифования – наждак темный непрозрачный минерал, топаз, восточный изумруд –зеленый прозрачный. Разновидности корунда – драгоценные камни: рубин красный, рубин розовый, рубин прозрачный, сапфир синий, прозрачный

IV Класс – сульфаты - соли серной кислоты, водные и безводные, таблица 4.

 

 

Таблица 4

IV Класс сульфатов
безводные	водные
ангидрид	гипс
барит

 

Свойства минералов

В зависимости от особенностей внутреннего строения минералы могут быть кристаллическими или аморфными.

Важнейшими свойствами кристаллических минералов являются анизотропность – физические свойства внутри минералов по разным направлениям разные, аморфных минералов - изотропность – физические свойства их одинаковы по всем направлениям внутри минерала.

Основными свойствами минералов: блеск, твердость, цвет минерала, цвет порошка минерала (черта), спайность, излом, плотность и форма кристалла.

Блеск – способность минерала отражать своими поверхностями свет. По блеску минералы подразделяются на 2 группы – обладающие металлическим блеском и имеющие не металлический блеск.

Металлическим блеском, как правило, обладают самородные элементы.

Неметаллический блеск может быть стеклянным, перламутровым, шелковистым, жирным, восковым, матовым.

Каждому минералу присуща определенная твердость, которая оценивается по 10 бальной шкале Мооса. В этой шкале за основу принята твердость 10 эталонных минералов:

1. тальк мягкие

2. гипс минералы

3. кальцит

4. флюорит средней твердости

5. апатит

6. ортоклаз минералы

7. кварц твердые

8. топаз

9. корунд очень твердые

10. алмаз

По цвету свежего излома минералы делят на белые, сероватые, бесцветные, желтые, бурые, коричневые, красные, многоцветные и т. д.

У некоторых минералов цвет порошка резко отличается от цвета самих минералов. Например, кальцит бывает белого, желтого, зеленого, голубого, синего черного и др. цвета, а порошок всегда белого цвета. Для получения порошка минерала обычно применяется шероховатая фарфоровая пластинка, по которой минералом проводят черту.

В определенных направлениях минералы оказывают более слабое сопротивление физическим воздействиям и по этим направлениям они легче раскалываются, образуя ровные, гладкие блестящие поверхности. Это явление называют спайностью. Спайность у различных минералов выражена в различной степени и различают:

- спайность весьма совершенную – минералы легко расщепляются в одном направлении на тонкие пластинки (слюды);

- спайность совершенную – минералы раскалываются по определенным направлениям и дают ровные, блестящие поверхности спайности: у одних минералов в одном направлении (топаз), у других она бывает выражена в двух направлениях (полевые шпаты) и в трех направлениях (кальцит);

- спайность несовершенная – спайность выражена слабо (апатит);

- спайность отсутствует – при ударе минерал раскалывается по неопределенным направлениям и дает неровные поверхности излома (кварц).

Излом бывает раковистый, зернистый, игольчатый.

Истинная плотность – от 0,6 (смолы) до 18-19 г/см³(золото). По плотности минералы подразделяют на:

- легкие - плотность до 2,5 г/см³ (гипс);

- средние - плотность от 2,5 до 4 г/см³ (кальцит, кварц, полевые шпаты, слюды, доломит);

- тяжелые – плотность более 4 г/см³ (рудные минералы, самородные элементы и т. д.).

 

Классификация горных пород

В основу классификации горных пород положено их происхождение (генетическая классификация). Происхождение и условия образования горных пород предопределяют их химико-минералогический состав, кристаллическое строение и структуру.

По условиям образования горные породы подразделяются на три группы: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические.

2.1 Изверженные горные породы (таблица 5) представляют собой продукты отвердения расплавленной магмы, застывшей в недрах или на поверхности земли. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных горных пород с различным строением и свойствами.

Горные породы, образование которых происходило на большой глубине (их называют глубинные) под значительным давлением верхних слоев земной коры, остывали медленно и сравнительно равномерно. Глубинные породы массивны, плотны и имеют полнокристаллическую структуру, состоящую из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов. Они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водопоглощением и большой теплопроводностью.

Горные породы, образовавшиеся вблизи земной поверхности – излившиеся – образовались на поверхности земли при отсутствии давления и при быстром охлаждении магмы имеют полнокристаллическую неравномерно-зернистую (порфировую) и неполнокристаллическую или стекловатую структуры. Излившиеся породы имеют химический и минералогический составы такие же, как и глубинные породы и обладают примерно теми же физико-механическими свойствами.

Основными породообразующими минералами изверженных пород являются: кварц и его разновидности, полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты.

По среднему содержанию кремнезема как самой важной составляющей делятся на группы: кислые, средние и основные

 

Таблица 5

Изверженные горные породы
глубинные:	излившиеся:
Кислые (SiO2 – 65…75 %)
гранит	кварцевый порфир обсидиан пемза
Средние (SiO2 – 52…65 %)
диорит сиенит	андезит, порфирит трахит
Основные (SiO2 – 40…52 %)
габбро лабрадорит	базальт, диабаз

2.2 Осадочные горные породы (таблица 6) обязаны своим происхождением экзогенным (внешним) процессам и являются продуктами разрушения и переотложения магматических и метаморфических горных пород, химического и механического выпадения осадков из воды, жизнедеятельности растений и животных. В зависимости от условий их образования осадочные породы делят на три основные группы.

 

 

Таблица 6

Осадочные горные породы
обломочные	Химические осадки	органогенные
рыхлые	сцементированные
валуны галька гравий песок суглинки (лессы) глины	конгломераты, брекчии гравелит   песчаники алевролит	гипс ангидрит плотные известняки известковые туфы	мел доломит известняки диатомиты опока

 

По минералогическому составу осадочные породы отличаются от магматических пород. Осадочные горные породы состоят:

1) из первичных минералов, образовавшихся при формировании самой осадочной породы (гипс, ангидрит, кальцит, кварц);

2) из продуктов химического разложения минералов магматической горной породы, послужившей материалом для осадочной породы (оливин переходит в змеевик и асбест, полевые шпаты и слюды в глинистые минералы – в каолинит, монтмориллонит, гидрослюду);

3) из неизмененных обломков различной степени измельчения первоначальной (магматической или метаморфической) горной породы или слагавших ее минералов.

В целом минералогический состав осадочных пород проще состава магматических пород.

Обломочные породы. Горные породы этой группы образуются в результате накопления обломочного материала различных пород.

По величине слагающих рыхлых обломков породы делятся на:

- грубообломочные (псефиты) – обломки крупнее 2 мм - валуны (окатанные обломки больше 200 мм в диаметре), галька (окатанные обломки от 10 до 200 мм), гравий (обломки от 2 до 10 мм);

- среднеобломочные (псаммиты) - обломки от 0,05 до 2 мм - различные пески;

- мелкообломочные (алевриты) - обломки от 0,005 до 0,05 мм – лессы (суглинки);

- глинистые породы (плиты) - в основном состоят из обломков меньше 0,01 мм, среди которых коллоидных частиц (размером меньше 0,005 мм) содержится больше 30 %.

К плотным (сцементированным) обломочным породам относятся: конгломерат (сцементированные окатанные обломки размером 10-200 мм); брекчия (сцементированные неокатанные обломки размером 10-200 мм); гравелит (сцементированный гравий размером 2…10 мм); песчаник - сцементированный песок различной крупности и разного минералогического состава; алевролит – сцементированный алеврит.

Породы химического происхождения - химические осадки, выпадающие из растворов, например из морской воды при жарком и сухом климате (гипс и ангидрид), натечные образования (сталактиты и сталагмиты) - различные скопления карбонатов и отложения минеральных источников – известковые туфы и т. д.

Органогенные породы - обязаны своим происхождением жизнедеятельности организмов и растений. Наиболее распространены карбонатные породы – различные известняки (коралловые, ракушечные и др.), мел, доломиты и смеси их с глинами – мергели; диатомит - кремнистые породы морского или озерного происхождения и опока.

2.3 Метаморфические горные породы – это существенно видоизмененные магматические или осадочные горные породы. Метаморфизм – преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих условиях может происходить кристаллизация минералов без их плавления. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества-растворы и газы, под действием которых породы любого состава и генезиса (магматические, осадочные или уже метаморфизированные) подвергаются изменениям.

Главными представителями метаморфических горных пород являются: гнейсы, сланцы, кварциты, мрамор. По внешнему виду и условиям залегания метаморфические породы занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами, по минералогическому составу они ближе к магматическим породам. Им присуща в основном кристаллическая структура и сланцевая текстура.

Гнейсы – по минералогическому составу похожи на граниты, диориты, сиениты, но отличаются от них тем, что минералы в гнейсах расположены не беспорядочно, как в магматических горных породах, а ориентированно. Характерным внешним признаком гнейсов является сланцеватость и полосчатое строение.

Сланцы - породы с резко выраженной сланцеватостью. Среди сланцев различают - слюдяные, глинистые, кровельные. Слюдяные сланцы в основном сложены слюдой и мелкими зернами кварца; глинистые сланцы состоят из глинистых частиц с мельчайшей кварцевой пылью. Глинистые сланцы являются начальной стадией метаморфизма глинистых пород. Кровельные сланцы – глинисто-слюдяные породы, занимающие промежуточное положение между глинистыми и слюдяными сланцами.

Кварциты– метаморфизированные пески и песчаники, состоящие почти целиком из перекристаллизованных зерен кварца.

Мрамор – продукт метаморфизма известняков и доломитов.

 

3 Разработка и обработка природных каменных материалов

Горные породы пригодные для изготовления каменных материалов называют полезными ископаемыми. Породы, сопровождающие полезные ископаемые и не используемые для изготовления каменных материалов, относят к пустой породе. Работы, связанные с добычей полезных ископаемых, называют горными работами. Разрабатываемые месторождения называют – карьером, выработанные пространства, образующиеся в процессе добычи полезного ископаемого, называют выработкой.

Разработка месторождений включает следующие последовательно выполняющие этапы: подготовка карьера, вскрытие месторождения (снятие плодородного слоя), вскрышные работы (удаление пустой породы), горные работы, рекультивация отработанного карьера. Существует открытый и подземный способы разработки месторождения.

Добычу природных каменных материалов осуществляют в основном открытым способом. Разработку горных пород в карьерах ведут экскаваторами, гидромеханическим способом, камнерезными машинами, взрывным способом и т.д. Выбор способа добычи природных каменных материалов зависит от вида горной породы, глубины и условий ее залегания, твердости и др.

Рыхлые горны породы - песок, гравий, глину добывают в открытых карьерах экскаваторами или гидромеханическим способом, массивные изверженные породы разрабатывают, как правило, взрывом, мягкие породы добывают путем распиловки массива камнерезной машиной на блоки определенных размеров и правильной геометрической формы.

По способу изготовления природные каменные материалы и изделия можно разделить на: пиленые (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола) и колотые (бортовые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.).

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

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

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

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

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

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

- изделия для гидротехнического строительства.

Природным каменным материалам, при необходимости, придают ту или иную фактуру – различный характер поверхности, раскрывая декоративные возможности камня, учитывая при этом условия его службы:

Фактуры: бугристые (скальные с буграми и впадинами), рельефные (с правильным чередованием гребней и впадин), бороздчатые (с параллельными прерывистыми бороздками) точечные (шероховатые с точечными углублениями) получают ударной обработкой поверхности камня. Гладкие фактуры: пиленные, шлифованные, лощенные, полированные получают абразивной обработкой поверхности: распиливанием, фрезерованием, шлифовкой и полировкой.

Каменные природные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки. В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих конструкций, так как. 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.