Тема 3. Природні кам’яні матеріали

 

1. Загальні відомості про гірські породи, класифікація залежно від умов утворення.
2. Вивержені гірські породи, матеріали з них; властивості, використання у будівництві.
3. Осадові гірські породи, матеріали з них. Властивості та використання.

Природні кам’яні матеріали – це матеріали, які одержують механічною переробкою чи обробкою гірських порід, не змінюючи їх природної структури та властивостей. Залежно від виду обробки поділяються на подрібнені, колоті, пиляні, поштучні вироби різного ступеню обробки. Застосовують у вигляді поштучного каміння та виробів для стін будівель, сходів, підлог; як облицювальні плити, каміння для дорожнього та гідротехнічного будівництва, бутовий камінь, заповнювачі для бетонів тощо.

Гірські породи – це мінеральні маси, що утворюють земну кору і мають відносно сталі склад і будову. Складаються з мінералів, бувають мономінеральними чи полімінеральними.

 

Рис. 1. Дробарки для механічного подрібнення каменю: а – щокова з простим качанням щоки; б – щокова зі складним качанням щоки (1 – нерухома, 2 – рухома щока); в – конусна (1 – нерухомий зовнішній конус; 2 – рухомий внутрішній конус); г – валкова (1 і 2 – валки, що обертаються назустріч один одному); д – молоткова; е – роторна (1 – молотки; 2 – ротор; 3 – корпус; 4 – відбивні плити); є – бігуни (1 – катки; 2 - чаша)

 

Рис.2. Схема добування щебеню: 1 – камінь; 2 – щокова дробарка;

3, 5, 9 – конвеєри; 4,7 – гуркоти; 6 – конусна дробарка; 8 – бункер;

10 – склади фракцій щебеню

 

 

Мінерали – це природні утворення, однорідні за хімічним складом, будовою, властивостями. Породоутворюючі мінерали поділяються на 5 груп:

· група кварцу – кварц (SiO₂), міцний (2000 МПа при стиску), твердий (тв.7), низька стиранність, хімічно стійкий, колір світлий; густина 2,65 г/см³; спайності немає;

· група алюмосилікатів – польові шпати (ортоклаз, альбіт, анортит) густина 2,55…2,70 г/см³; твердість 6; R_ст = 120…170 МПа; стійкість менша, ніж у кварцу – під дією води та вуглекислого газу повітря відбувається реакція вивітрювання і польові шпати руйнуються з утворенням водних алюмосилікатів (глин); слюди (мусковіт, біотит, вермикуліт) легко розщеплюються на тонкі пластини, твердість 2–3; легко вивітрюються; густина 2,7…3,2г/см³;

· група залізисто-магнезіальних силікатів – темно забарвлені мінерали (авгіт, олівін, рогова обманка) – колір темний, твердість 5,5…7,5; висока міцність при стиску, найвища ударна міцність; густина 3,0…3,6г/см³;

· група сульфатів (гіпс, ангідрит, барит) –будова пластинчаста, зерниста; твердість 2…3,5; розчинні у воді; міцність незначна; густина 2,2…3,0 г/см³, бариту 4,3…4,7 г/см³;

· група карбонатів (кальцит, магнезит, доломіт) – твердість 3…4,5; густина 2,7…3,0 г/см³; легко розколюються.

На утворення гірських порід впливають внутрішні та зовнішні процеси, що відбуваються у літосфері.

Внутрішні процеси:

· тектонічні рухи (переміщення гірських порід);

· вулканізм (явища, зумовлені діяльністю магми);

· сейсмічні явища (землетруси);

· метаморфізм (фізико-хімічні процеси зміни структури, мінерального, хімічного складу під впливом високих температур, тиску, розчинів солей, газів).

Зовнішні процеси:

· вивітрювання фізичне (руйнівна дія температури, морозу, кристалізація солей у капілярах), хімічне (руйнування, яке супроводжується зміною хімічного складу), органічне (руйнування, що відбувається внаслідок життєдіяльності організмів та рослин);

· дія вітру (еолові процеси) – видування часточок, обточування їх, перенесення та відкладення;

· діяльність плинних вод – ерозійне розмивання порід, перенесення і відкладання осадів;

· діяльність моря – ерозійне розмивання порід, перенесення і відкладання осадів;

· діяльність льодовиків – перенесення маси уламків гірських порід.

 

Гірські породи за походженням поділяються на три великі групи: вивержені (їх ще називають первинними або магматичними), що утворилися внаслідок охолодження та затвердіння магми; осадові (або вторинні), що виникли у верхніх шарах внаслідок руйнування первинних порід або відмирання решток органічного світу; метаморфічні (видозмінені) утворені з вивержених чи осадових порід внаслідок перекристалізації та зміни структури.

 

Вивержені гірські породи, в залежності від умов утворення, поділяються на масивні та уламкові. Масивні породи утворилися внаслідок охолодження магми в надрах Землі і називаються глибинними (інтрузивними) породами, або біля її поверхні – це вилиті породи (ефузивні).

Глибинні породи (до них відносяться граніт, сієніт, діорит, лабрадорит, габро) мають зернисто-кристалічну будову, щільні (пористість до 1,5%), густина 2,6…3,0 г/см³; міцні (при стиску 100…350 МПа), досить стійкі щодо вивітрювання, морозостійкі, добре поліруються, обтесуються, шліфуються. Застосовують ці гірські породи у вигляді бутового каменю, щебеню, для зовнішніх та внутрішніх оздоблювальних робіт, виготовляють сходи, плити для підлог та доріг, бордюрний камінь.

Вилиті породи (стародавні – порфіри, діабаз та нові – трахіт, андезит, базальт) мають порфіроподібну структуру, тобто окремі кристали вкраплені у дрібнокристалічну чи склоподібну масу; якщо при виливанні магми відбувалось активне газовиділення, то породи ставали пористими. Властивості цих каменів близькі до характеристик глибинних порід. Застосовують для покриття доріг та як сировину для кам’яного литва (діабаз, базальт), заповнювачі для бетону, облицювальні кислотостійкі плити (андезит).

Уламкові породи (їх ще називають вулканічними) утворилися як продукти перевідкладів і цементації сипких матеріалів, викинутих вулканами. Вони бувають сипкими (вулканічний попіл та пісок) або зцементованими (вулканічний туф, траси, туфова лава). Міцність таких матеріалів незначна, висока пористість, через що невисока середня густина 0,5…1,4 г/см³ і мала теплопровідність. Застосовують ці гірські породи як заповнювачі для легких бетонів, як теплоізоляційні матеріали, стінові матеріали для малоповерхового будівництва.

Осадові (вторинні) гірські породи поділяються на 3 групи: механічні відклади (сипкі та зцементовані), утворені внаслідок вивітрювання, дії плинних вод та льодовиків; хімічні осади (сульфатні чи карбонатні); органогенні відклади рослинного і тваринного походження. Особливістю осадових порід є їх шарувата (пластова) будова, це результат поступового осаду продуктів розкладу. Застосовують для виготовлення в’яжучих речовин (гіпс, вапняк, крейда, глина, мергелі, ангідрит), легких стінових матеріалів (діатоміт, опока, вапняк-черепашник), гончарних виробів (глина), скла (пісок), крупні зерна з міцних та твердих порід – як бутовий камінь для фундаментів, дорожнього будівництва, облицювання, як заповнювачі до бетонів.

Метаморфічні породи утворилися з магматичних (гнейси) та осадових (глинисті сланці, мармур, кварцити) гірських порід. За властивостями нагадують аналогів, з яких утворилися. Гнейси застосовують для вкладання фундаментів, бутової кладки, дорожнього мощення. Мармур – прекрасний облицювальний матеріал, навіть мармурова крихта застосовується для мозаїчних підлог, декоративних бетонів. Кварцити, маючи високу твердість, кислотостійкість, міцність при стиску 100…500МПа, застосовуються у особливо відповідальних частинах конструкцій; для облицювання.

 

Тема 4. БУДІВЕЛЬНА КЕРАМІКА

 

1. Загальні відомості.
2. Сировина. Властивості глин, поняття про фізико-хімічні процеси, які відбуваються при сушінні та випалюванні глин.
3. Класифікація керамічних виробів, їх виготовлення, властивості та застосування.
4. Стінові керамічні матеріали. Оздоблювальні керамічні матеріали. Кераміка спеціального призначення.

Керамічні матеріали отримують з глинястих мас формуванням, сушінням, випалюванням. За структурою бувають пористими (черепок не спечений, водопоглинання 8…20% - стінові матеріали, дренажні труби) та щільними (черепок спечений, водопоглинання до 1…4% - плитки для підлоги, дорожня цегла). За призначенням поділяються на:

· стінові – цегла, блоки, керамічне каміння;

· оздоблювальні – плити і плитки для стін, підлог, фасадів, цоколю;

· покрівельні – черепиця;

· заповнювачі для легких бетонів – керамзит, аглопорит;

· сантехнічні вироби;

· кислототривкі вироби – цегла, плити, труби;

· дорожня цегла;

· вогнетриви.

Сировиною для виготовлення кераміки є різні глинясті породи, які утворилися внаслідок вивітрювання вивержених польовошпатних гірських порід і є природними водними алюмосилікатами, які при змішуванні з водою утворюють в’язко-пластичне тісто, яке після випалювання необоротно переходить у каменеподібний стан.

Основні мінерали:

· каолініт – Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O;

· монтморилоніт – Al₂O₃ 4SiO₂ 11H₂O;

· галуазит – Al₂O₃ 2SiO₂ 4H₂O.

У сировині можуть бути домішки, які суттєво впливають на властивості, це карбонати, оксиди заліза і кремнію, колоїдних органічних речовин. Для досягнення певних властивостей вводять спеціальні добавки:

· спіснювальні (для зменшення пластичності та усадки при сушінні і випалювання) – шамот, дегідратована глина, кварцовий пісок, доменний шлак, попіл;

· плавні (для зниження температури спікання та випалювання) – польовий шпат, залізна руда, доломіт, магнезит, тальк;

· пороутворювальні – при випалюванні виділяють газ (магнезит, доломіт, крейда) або вигоряють (тирса, зола, подрібнене вугілля);

· пластифікуючі (для покращення пластичності і формівності сировини) – високо пластичні бентонітові глини.

Для покращення декоративних властивостей, збільшення водостійкості керамічні вироби покривають глазур’ю чи ангобом. Глазур наносять (у сирому вигляді чи сплавлену у вигляді фрити) на поверхню виробу і випалюють до розплаву на поверхні. Компоненти глазурі – кварцовий пісок, каолін, польовий шпат, оксиди, солі лужних металів. Ангоб виготовляють з білої чи кольорової глини, наносять на поверхню, випалюють (поверхня матова).

 

Властивості сировини

Пластичність – основна властивість глини, залежить від гранулометричного складу, характеризується числом пластичності (високо пластичні при Пл понад 25%, середньо пластичні при Пл = 15…25%, помірно пластичні Пл = 7…15%, мало пластичні Пл до 7%).

Усадка – зменшення розмірів в процесі сушіння (повітряна усадка – 2…12%) та випалювання (вогнева усадка – 2…8%).

Вогнетривкість глин: “О” – вогнетривкі понад 1580⁰С, “Т” – тугоплавкі 1350…1580⁰С, “Л” – легкоплавкі до 1350⁰С.

Перехід глини у каменеподібний стан (на прикладі каолініту Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O):

· t > 100⁰C – випаровується вільна вода;

· t > 300⁰C – вигоряють органічні речовини;

· t > 450…600⁰C – виводиться хімічно зв’язана вода і утворюється безводний мета каолініт Al₂O₃ 2SiO₂;

· t > 700…800⁰C – розклад на два оксиди Al₂O₃ та SiO₂;

· t > 900⁰C – утворюється штучний мінерал – 3Al₂O₃ SiO₂ – муліт (глина стає каменем, тобто набуває водостійкості, міцності, термостійкості). Випалювання цегли завершене;

· t > 1000⁰C – відбувається ущільнення і злипання черепка, водопоглинання такого матеріалу знижується до 4%;

· t > 1200⁰C –глина на поверхні плавиться, виріб деформується.

 

Технологія виготовлення

Основні етапи:

1. Видобування сировини – у кар’єрах, в основному відкритим способом – екскаваторами.

2. Підготовка сировини – руйнування природної структури глин на дезінтеграторних вальцях, бігунах; введення добавок, зволоження до потрібної формівної вологості (у глинозмішувачах).

3. Формування виробу (сирець) виконують пластичним способом (на стрічкових вакуумних чи безвакуумних пресах), напівсухим (на гідравлічних чи механічних пресах) чи мокрим (шлікерним).

4. Висушування сформованих виробів у тунельних сушарках безперервної дії.

5. Випалювання у автоматичних тунельних печах.

6. Обробка та пакування.

 

Рис. 3. Технологічна схема виготовлення керамічної цегли:

1 – багатоковшовий екскаватор з вагонетками для транспортування сировини; 2 – ящиковий дозатор; 3 – бігуни; 4 – змішувач; 5 – прес-екструдер з різальним апаратом; 6 – вагонетка-платформа з укладеним сирцем; 7 – тунельна сушарка; 8 – поворотне коло вузькоколійки; 9 – тунельна піч;

10 – склад готових виробів; 11 – транспортування виробів у контейнерах

Стінові матеріали та вироби

Цегла (суцільна та порожниста) – застосовують для мурування зовнішніх та внутрішніх стін. Стандартні розміри 250х120х65мм, є ще потовщена, модульна. За міцністю поділяється на марки 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300. За морозостійкістю F15, 25, 35, 50. Порожниста цегла дає змогу зекономити сировину, знизити товщину стін, полегшити конструкцію, покращити теплоізоляцію тощо, проте її не застосовують для зведення фундаментів, цоколів, стін у вологих приміщеннях.

Керамічне каміння (має ті ж властивості) виготовляють порожнистим, розміри 250х120х138мм, 250х250х120 та ін.

Збірні панелі для зовнішніх та внутрішніх стін, керамічні блоки виготовляють у заводських умовах. Це прискорює процес будівництва, зменшує трудозатрати. Панелі виконують розмірами на кімнату, влаштовують теплоізоляційний шар (для панелей зовнішніх стін), армують спеціальними сітками чи каркасами, поверхню оздоблюють.