Свойства горных пород и виды природных каменных материалов
|
Свойства горных пород. Область использования природного камня определяется его физико-механическими свойствами, обусловленными особенностями образования, химико-минералогическим составом, структурой и текстурой. Значения показателей основных базовых свойств ряда строительных горных пород приведены в табл. 6.3. При преобладании в породах стекла прочность их снижается, они более подвержены воздействию температурных изменений. Более высокой прочностью обладают мелкозернистые породы, сложенные из зерен неправильной, зазубренной формы. В горных породах, особенно осадочных, встречаются слабые разновидности, содержащиеся в виде отдельных слоев или прослоек. Однородность прочностных свойств породы является важнейшим показателем их качества. При выборе вида камня существенное значение имеет его средняя плотность, которая для горных пород определенного минерального состава и структуры служит косвенной характеристикой их прочности и долговечности. По мере увеличения основности пород, отношения процентного содержания основных оксидов и кислотных, плотность пород обычно возрастает.  Морозостойкость большинства пород может быть определена по водопоглощению. Водопоглощение плотных магматических пород, не подвергшихся процессам выветривания, обычно не превышает 0,7%, для осадочных пород достигает 10% и более. У малопористых разновидностей мономинеральных пород значения показателей прочности, плотности, упругости и некоторых других свойств приближаются к величинам показателей тех же свойств породообразующего минерала. С увеличением пористости, а также с появлением неплотностей в контактах и некоторых других структурных дефектов, неизбежно возникающих при формировании горных пород, их упругие и прочностные свойства интенсивно снижаются. Свойства полиминеральных пород в первую очередь обусловлены влиянием количественно превалирующего минерала. Например, у гранитов, с увеличением содержания кварца, имеющего очень высокий предел прочности при сжатии повышается механическая прочность. Увеличение содержания полевых шпатов, прочность которых примерно на порядок меньше прочности кварца, наоборот, снижает прочность гранитов. Слюда с характерной ей высокой спайностью и слоистой структурой способствует механическому разрушению гранита с появлением внутренних раскалывающих напряжений. Породы, обладающие однородно-кристаллическим строением, имеют наибольшую прочность при сжатии, незначительную пористость и водопоглощение, устойчивы к воздействию внешних агрессивных факторов. При скрытокристаллической (афанитовой) структуре свойства пород близки к полнокристаллическим. Однако при преобладании в породе стекловатой фазы прочность и долговечность ее снижается. Гладкозернистые породы обладают меньшей прочностью по сравнению с породами, содержащими зерна неправильной зазубренной формы. Мелкозернистые породы характеризуются более высокой прочностью, чем крупнозернистые. При порфировой структуре породы большое значение имеет строение, как основной массы, так и вкрапленников. Если основная масса имеет микрокристаллическую структуру, а вкрапленники сложены прочными и устойчивыми минералами, породы обладают достаточно высокой прочностью. При стекловатой основной массе и нестойких к выветриванию вкрапленниках (слюда, плагиоклаз) стойкость породы невысокая. Полосчатая, слоистая и гнейсовидная текстуры изверженных и метаморфических пород также способствует снижению прочности, особенно если напряжение направлено параллельно полосчатости или слоистости. При наличии в породе мелких пустот, расположенных параллельно полосчатости, прочность ее еще более снижается, так как это способствует проникновению воды к слоям. Свойства многих осадочных полиминеральных пород, представляющих собой агрегаты неодинаковых по размеру обломков минералов, обусловливаются как свойствами самих обломков, так и свойствами природного вяжущего вещества, выполняющего роль матрицы. Наиболее прочными среди таких природных цементов являются кварцевый и кремнистый равномерно-зернистые цементы. Значительно уступают им по прочности цементы, состоящие из минеральных зерен различного состава с неодинаковыми размерами частиц, а также глинистые и растворимые соединения (глины, гипсы и пр.). Характер пористости в горных породах может быть разнообразным и иметь широкий диапазон значений. Для туфов, например, характерны преимущественно крупные макропоры, а для диатомитов - тончайшие, трудноразличимые микропоры. Первичная пористость, возникшая в процессе формирования породы, является обычно закрытой и тонкодисперсной. Она зависит от характера упаковки, формы и размера частиц, их взаимного расположения, а также величины первоначального давления. Вторичная пористость, чаще всего открытая, возникает на более поздних стадиях образования породы при растворении или замещении в ней отдельных минералов и, особенно, в результате последующего выветривания. Как важный структурный элемент, поры совместно с минеральными частицами активно участвуют в формировании свойств горных пород. Установлено, что при пористости меньше 1%, упругие и прочностные свойства минералов и горных пород определяются в основном их минеральным составом. При увеличении пористости значения этих свойств уменьшаются в соответствии с эмпирической зависимостью:  где P и Pо — свойства камня соответственно с порами и без пор; П1 и П2 - значения первичной и вторичной пористости. По степени пористости горные породы делятся на три группы: низкой (П≤5%), средней (П=5...20%) и высокой пористости (П≥20%). Как уже отмечалось, наиболее высокой пористостью обладают некоторые осадочные породы, в частности туфы. Магматические породы обычно являются низкопористыми, за исключением сильно выветрелых. Повышение прочности при уменьшении пористости объясняется тем, что увеличивается площадь контакта между зернами, слагающими породу. Например, прочность известняков возрастает с 5 до 180 МПа при уменьшении пористости с 40 до 2%. Общий характер влияния пористости на механические свойства пород приведен на рис. 6.13.  При использовании горной породы в качестве облицовочного камня, важное значение имеет ее декоративность. В качестве облицовочных применяют камни светлой окраски (розовые, красные и серые граниты, белые и цветные мраморы) и темноокрашенные породы (диориты, базальты, черные мраморы). Цвет горной породы определяется цветом слагающих ее минералов. Глубинные породы чаще всего окрашены в красные, серые и розовые цвета, зависящие от цвета количественно преобладающего полевого шпата. Наибольшее практическое значение имеет идиохроматическая окраска, обусловленная хромофорами, которыми могут быть как основные ионы минералов, так и изоморфные примеси. Главнейшими хромофорами являются титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь. Причем главная роль принадлежит железу в форме ионов Fe2+ и Fe3+, затем титану, марганцу и хрому. Гораздо реже окраска минералов связана с присутствием никеля, меди, ванадия, кобальта. Важное значение для определения декоративных свойств камня имеет также и стойкость окраски, которая может очень значительно изменяться. Как правило, изверженные породы обладают достаточно стойкой окраской, медленно поддающейся изменениям под влиянием процессов выветривания. Менее стойкой является окраска осадочных и метаморфических пород, иногда сравнительно быстро исчезающая на открытом воздухе. Для природных каменных материалов существенное значение имеет их способность обрабатываться. Горные породы, обладающие высокой стойкостью, труднее обрабатываются. Камни, обладающие крупнокристаллической структурой, скалывающими инструментами обрабатываются хуже, чем мелкокристаллические, так как на обрабатываемой поверхности могут образовываться выколы по граням кристаллов или плоскостям спайности. Значительно затрудняет обработку камня наличие в нем включений более твердых или более мягких, чем основная масса породы. Виды природных каменных материалов. Природные каменные материалы в зависимости от способа добычи и дальнейшей обработки делятся на две группы: штучные камни, добываемые в виде блоков и каменные материалы неправильной формы. К первой группе относятся пиленые, колотые, шлифованные и полированные изделия, ко второй - преимущественно рваные, дробленые и фракционированные. Основные направления применения в строительстве различных изделий из природного камня приведены в табл. 6.4. Основными видами штучных изделий из природного камня являются облицовочные и стеновые блоки и плиты (рис. 6.14). Изготавливают также изделия и детали специального назначения: для устройства ледорезов, мостовых опор, строительства набережных, шлюзов, плотин, подземных коллекторов, монументальных и скульптурных сооружений и др.   Для получения облицовочных изделий наибольшее применение находят магматические породы группы гранита и метаморфические - мраморы и кварциты. Осадочные породы - известняки, песчаники, доломиты, травертины и гипсы - применяются, главным образом, для внутренних облицовок. Наибольшей долговечностью обладают кварциты и граниты, значительно менее долговечны мраморы, которые на открытом воздухе могут быстро разрушаться.  Горные породы, применяемые для получения блоков(полуфабрикатов), плит и других облицовочных изделий, должны иметь предел прочности на сжатие не менее 5 МПа, морозостойкость - не менее 15 циклов. В зависимости от объема блоки делят на четыре группы. Объем блоков первой группы - свыше 5 м3, второй - 3-5 м3, третьей - 0,7-3 м3, четвертой - 0,1-0,7 м3. Для блоков нормируют размеры, качественные показатели их поверхности, учитывая при этом вид горной породы. Архитектурные достоинства изделий из природного камня в значительной мере определяются их фактурой. Основными видами фактур облицовочных изделий являются фактуры типа “скала”, бугристая, рифленая, точечная, бороздчатая, шлифованная, лощеная, полированная. Они образуются при обработке камня скалыванием, распиливанием, шлифованием, лощением и др. В качестве облицовочных применяют камни светлой окраски (розовые, красные и серые граниты, белые и цветные мраморы) так и темноокрашенные породы (диориты, базальты, черные мраморы). Из щебня и песка, полученных при дроблении горных пород изготавливают облицовочные плиты с применением вяжущих веществ, которые в зависимости от способа изготовления подразделяют на три типа: I - прессованные или формованные; II - пиленые из искусственно отформованных блоков; III - склеенные из кусков камня правильной или произвольной формы. Лицевая поверхность плит может быть мозаичной, брекчиевидной, орнаментной или с песчано-щебеночным декоративным слоем. Мозаичную лицевую поверхность получают с использованием декоративного щебня, брекчиевидную - из кусков природного камня произвольной формы или из их смеси с декоративным щебнем; орнаментную - из природного камня правильной формы. Поверхность плит с песчано-щебеночным декоративным слоем получают из декоративных щебня и песка и синтетического связующего. В качестве вяжущих для изготовления плит I и II типов используют рядовой, белый или цветной портландцемент, III типа - синтетические смолы (эпоксидные, полиэфирные и др.). Физико-механические показатели плит должны соответствовать следующим требованиям:  Благодаря высокой долговечности облицовок из природного камня затраты на их эксплуатацию в 5-8 раз меньше, чем при отделке зданий красками, цветными растворами и бетонами. В качестве стеновых материалов (рис. 6.15) применяют пиленые штучные камни и крупные блоки с основными размерами, приведенными в табл. 6.5. Удельные капитальные вложения на их добычу примерно в 1,5 раза ниже, чем на изготовление керамического кирпича. Особенно распространено применение природного камня для кладки стен в ряде южных районов. Для их получения используют легкие, пористые горные породы с пределом прочности на сжатие от 0,4 до 50 МПа и морозостойкостью не менее 15 циклов. Минимальные значения коэффициента размягчения стеновых камней и блоков - 0,6, водопоглощение для туфов и опоки - до 50%, известняков и других пород - 30%.  По назначению стеновые камни подразделяются на лицевые и рядовые. Последние используют для кладки стен с последующим оштукатуриванием. Лицевые камни должны иметь марку по прочности на сжатие не менее 2,5 МПа, коэффициент размягчения не менее 0,7. Стеновые изделия из природного камня ряда месторождений обладают красивой фактурой, легко поддаются обработке. Эффективно применение крупных составных блоков высотой “на этаж”, изготовляемых из 6-8 обычных блоков, зазоры между которыми заполняют цементным раствором. Перспективными изделиями из природного камня являются крупные цельнопиленые панели и панели, склеенные из отдельных элементов полимерами. Дорожно-строительные изделия - изделия в виде брусчатки, колотого, булыжного и бордюрного камня, тротуарных плит, изготавливаемые механической обработкой горных пород (рис. 6.14). Исходным сырьем для дорожно-строительных изделий являются горные породы с прочностью не менее 60 МПа, морозостойкостью не менее 25 циклов, коэффициентом размягчения - 0,6-0,9, водопоглощением - 1-4%, сопротивлением удару - 15 КПа. Брусчатый камень (брусчатка) - колотые или тесаные бруски камня, имеющие форму усеченной пирамиды с параллельными прямоугольными основаниями. Брусчатку изготовляют из морозостойких, хорошо обрабатываемых пород, имеющих прочность на сжатие не ниже 100 МПа. По высоте брусчатка бывает: низкой - 100, средней - 110-130 и высокой - 140-160 мм. Ширина брусчатки - 120-150 мм, длина - 150-250 мм. Брусчатку применяют для мощения городских улиц, площадей и заполнения трамвайного полотна. Колотый и булыжный камень в основном используют для устройства верхних покрытий дорог 4-й и 5-й категорий и оснований дорог 1-3 категорий. Кроме того, его применяют для укрепления откосов земляных сооружений и берегоукрепительных работ. Бортовой камень отделяет проезжую часть дорог от тротуара. Изготовляется в виде изделий, имеющих форму прямоугольных параллелепипедов длиной 1000-2000 мм, высотой 300-400 мм и шириной 100-200 мм из плотных изверженных пород для которых характерны высокая прочность морозо- и износостойкость. Тротуарные плиты изготавливают из слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольных или квадратных плит со сторонами 200-800 мм и ровной лицевой поверхностью (толщина 40-150 мм). Бутовый камень - строительный материал, состоящий из кусков горной породы неправильной формы размером 70-1000 мм. Его применяют для кладки (рис. 6.16) фундаментов, подземных частей зданий, стен нежилых, вспомогательных и производственных зданий, для укрепления земляных откосов, в дорожном строительстве, а также в гидротехническом в качестве заполнителя для бутобетона. Бутовый камень подразделяют на постелистый (с одной небугристой гранью) и плитняковый (с двумя приблизительно параллельными гранями). Разновидностью бутового является булыжный камень, имеющий окатанную форму.  Прочность бутового камня оценивается пределом прочности исходной горной породы на сжатие в насыщенном водой состоянии. Марки бутового камня по прочности: M100, М200, М300, М400, М600, М800, М1000, М1200, M1400. Камень из метаморфических пород (гнейсы, кварциты и др.) должен иметь марку не ниже М400, а из магматических (граниты, габбро и др.) - не ниже М600. Марки бутового камня по морозостойкости F15 - F300. В партии бутового камня допускается не более 15% кусков с размерами, отличными от предельных. Содержание глины в комьях не должно превышать 2% по массе. В гидротехническом строительстве бутовый камень применяется для возведения набросных плотин. Состав камня по крупности назначается из условия получения минимальной пористости с учетом особенностей плотин. К материалам специального назначения можно отнести электроизоляционные материалы из горных пород, используемые в виде досок, плит, панелей и других изделий. Эти материалы сравнительно дешевы и используются при электромонтажных работах, особенно в тех районах, где они могут быть получены из легко доступного местного сырья. С этой целью применяют, например, мрамор, сланцы, тальк, талькохлорит и другие горные породы. Удельное объемное сопротивление их 10в7-10в11 Ом*см, диэлектрическая проницаемость 5-10, электрическая прочность 1-10 кВ/мм. Из природных минеральных электроизоляционных материалов важнейшими являются слюды - минералы из группы водных алюмосиликатов: мусковит и флогопит. Из отдельных пластинок слюды изготавливают с помощью полимерных связующих листовые и рулонные материалы, применяемые благодаря высокой электрической и механической прочности, температуро- и влагостойкости для изоляции электрических машин высокого напряжения. Производство природных каменных материалов. Технология природных каменных материалов определяется их видом, необходимыми качественными показателями, свойствами горной породы, условиями ее залегания. Месторождение, подготовленное к разработке горных пород, называется карьером. Подготовка месторождения начинается с удаления верхних вскрышных пород и обнажения полезного ископаемого. Карьеры разрабатывают одним или несколькими уступами, высота которых обычно не превышает 20 м. Наиболее массовая продукция - дробленый камень из скальных пород - производится с помощью буровзрывных работ. Они включают бурение шпуров (диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м или скважин диаметром до 300 мм и глубиной более 5 м), расположенных вдоль фронта уступа, размещение в них взрывчатых веществ (аммонита, аммиачной селитры, аммонала и др.) и отделение с помощью взрыва кусков породы, поступающих на дробление.  Дробильно-сортировочные заводы и установки (рис. 6.17) осуществляют одно-, двух- или многоступенчатое дробление исходного сырья. Многоступенчатое дробление позволяет получать как крупные, так и мелкие фракции щебня и является наиболее распространенным. При одноступенчатом дроблении не представляется возможным обеспечить высокую степень измельчения, т.е. отношение размеров кусков до и после дробления. Одноступенчатая схема применяется обычно на предприятиях малой мощности при наибольшем размере кусков 400-450 мм. По способу измельчения материала дробильное оборудование бывает с периодическим (щековые, конусные дробилки) и непрерывным нажатием дробящих поверхностей (дробилки валковые и ударного действия - молотковые и роторные). Дробленый материал сортируется по фракциям механическим, гидравлическим и воздушным способами. При наиболее распространенном механическом способе сортировка камня производится с помощью грохотов. На предприятиях нерудных строительных материалов наиболее распространены вибрационные грохоты, в которых устанавливают одно или два проволочных сита. Дробление камня возможно по открытому или закрытому циклу. При открытом цикле материал однократно проходит через дробилку, поступает на сортировку, а затем на склад готовой продукции. При замкнутом цикле камень, не прошедший через верхнее сито, вторично поступает на дробление, что позволяет достичь большей производительности дробилок, регулировать выход и крупность готовых продуктов. Пылеватые и глинистые примеси, загрязняющие дробленый камень, удаляют промывкой, для чего используют лопастные, барабанные или вибрационные промывочные машины. Наряду с промывкой применяют специальные методы обогащения нерудных материалов. При переработке на щебень низкокачественного сырья используют, в частности, способ избирательного дробления, основанный на более интенсивном разрушении кусков слабых пород. Гравитационное обогащение основано на зависимости между прочностью и плотностью породы. Неоднородные по плотности зерна материала разделяют в специальных отсадочных машинах в попеременно восходящих и нисходящих струях воды или в тяжелых средах (водных суспензиях магнетита или ферросилиция), плотность которых имеет промежуточное значение между плотностями разделяемых фракций. Рыхлые породы (гравий, песок, гравийно-песчаные смеси) добывают открытым способом, преимущественно с помощью одно- или многоковшовых экскаваторов. Наряду с сухим способом на песчано-гравийных карьерах широкое применение получила гидромеханизированная добыча. Разрабатываемая этим способом порода при динамическом воздействии воды отделяется, рыхлится и транспортируется землесосными установками в виде пульпы на склад или на переработку. Штучный камень из легкообрабатываемых горных пород - мрамора, известняка, туфа - получают с помощью камнерезных машин. Рабочими органами этих машин служат горизонтальные и вертикальные дисковые пилы, установленные на тележке, передвигаемой в карьере по рельсам вдоль забоя. Камнерезные машины позволяют механизировать как резку камня, так и вспомогательные операции по его штабелированию и транспортированию из забоя. Кроме машин с дисковыми режущими инструментами применяют буровые машины с цепными пилами. Производительность машин на породах средней твердости увеличивается в 4-5 раз при использовании алмазных режущих насадок. Облицовочные изделия из твердых пород получают отделением от массива крупных монолитов, разделяемых на блоки и плиты. Для отделения монолитов применяют буроклиновой, буровзрывной способы, ударные врубовые машины. Для кварцесодержащих пород группы гранита применим термический способ. Он основан на разрушающем действии внутренних напряжений, возникающих при термических деформациях минералов под влиянием высокой температуры. Распиловка блоков на плиты или фасонные детали производится с помощью рамных твердосплавных или алмазных пил. |
