Обработка природных каменных материалов
ВВЕДЕНИЕ.
Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и др.) горных пород, добываемых из недр земной коры. Таким путем получают облицовочные плиты, плиты для полов, ступени, камни и блоки для кладки стен, бордюрные камни, песок, щебень и д.р.
Некоторые горные породы (песок, гравий, глину) используют и без механической обработки, но после обогащения. Значительная часть горных пород является сырьем для получения неорганических вяжущих веществ, керамических изделий, бетонов, стекла и других строительных материалов и изделий.
Горная порода – это скопление минеральных агрегатов в земной коре, обладающих более или менее постоянным составом и свойствами. Она может быть мономинеральной, состоящей из одного минерала (гипс, магнезит, доломит и др.) или полиминеральной – из нескольких минералов (гранит, диабаз и др.).
В зависимости от условий формирования горные породы делятся на три генетические группы:
- магматические породы (изверженные); 
- осадочные породы ; 
- метаморфические породы. 
Свойства горных пород, главным образом, зависят от свойств породообразующих минералов и строения, т.е. от структуры и текстуры.
• Структура горных пород характеризуется размером, формой слагающих ее минералов, количественным соотношением и характером связи между ними. Структура может быть кристаллической, пегматитовой, порфировой, зернистой, офитовой, зернисто-стекловатой и др.
• Текстура горных пород характеризуется взаиморасположением или относительным распределением ее минералов. Текстура может быть однородной и неоднородной, слоистой, сланцеватой, плотной, пористой, полосчатой и др. Внешний вид горных пород, в основном, определяется их цветом и строением.
Минералы – физически и химически однородные тела, возникшие в земной коре под действием физико-химических процессов. Минералы в большинстве твердые тела: кристаллические (анизотропные) или аморфные (изотропные – физические свойства одинаковы по всем направлениям).
К настоящему времени известно несколько тысяч минералов, но лишь около 50 из них слагают горные породы, используемые в строительстве.
Минералы классифицируют по различным принципам: по внешнему виду, происхождению и физическим свойствам, химическому составу, кристаллохимическим и кристаллографическим особенностям.
Наиболее важной с инженерно-строительной точки зрения является кристаллохимическая классификация, согласно которой минералы систематизированы с учетом химического состава и особенностей строения, выделяется 11 классов минералов в соответствии с их распространением в земной коре. Наиболее часто встречаются минералы следующих классов: силикаты, оксиды и гидрооксиды, карбонаты, сульфаты, галоидные соединения, сульфиды.
Специфическими характеристиками минералов являются следующие:
Твердость оценивается по шкале твердости Мооса, в которой минералы расположены в порядке возрастания твердости:
1 – тальк 6 – полевой шпат (ортоклаз)
2 – гипс 7 – кварц
3 – кальцит 8 – топаз
4 – флюорит 9 – корунд
(плавиковый шпат) 10 – алмаз
5 – апатит
Спайность – это способность некоторых кристаллических минералов раскалываться или расщепляться по определенным плоскостям с образованием гладких поверхностей. Различают следующие виды спайности:
- весьма совершенную – минерал легко расщепляется на отдельные пластинки или листочки с образованием одной гладкой плоскости спайности (тальк, мусковит, биотит и др.);
- совершенную при легких ударах минерал, раскалываясь, образует две, три и более плоскости спайности (ортоклаз, кальцит, каменная соль и др.);
- среднюю – минерал раскалывается на обломки, на которых обнаруживается спайность (роговая обманка, авгит и др.);
- несовершенную – плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит, берилл и др.).
При отсутствии спайности обломки минерала обладают неправильной формой (кварц, корунд и др.).
Излом в отличие от спайности не имеет правильных ориентированных блестящих поверхностей. Минералы, обладающие спайностью, дают ровный излом. У минералов, не имеющих плоскостей спайности, наблюдается раковистый излом (кварц, кремень и др.); у минералов игольчатого и волокнистого строения – занозистый излом (роговая обманка); у землистых агрегатов минералов – землистый излом (каолинит, пиролюзит, гетит).
Цвет минералов зависит от их структурных особенностей, присутствия в них окрашивающих ионов – хромофоров и механических примесей. Благодаря хромофорам и примесям цвет одного и того же минерала может быть различным.
Блеск минералов зависит от степени отражения от их поверхности лучей света. Различают металлический и неметаллический блеск. У последнего много разновидностей: алмазный (алмаз, сера), яркий или стеклянный (мусковит, кальцит, гипс и др.), жирный (кварц, нефелин и др.), восковой (офит, хальцедон), перламутровый (тальк, полевые шпаты и др.), шелковистые (гипс и др.), шелковый (хризолит-асбест), матовый или без блеска (каолинит, пиролюзит).
Строение ( структура и текстура) минералов и горных пород позволяет судить об условиях их образования и свойствах.
Структура минералов может быть кристаллической, скрытокристаллической, аморфной (некристаллической, стекловидной) и др.
Стойкость – это способность минерала или горной породы противостоять атмосферным воздействиям, химическим реагентам и др.
1. Магматические горные породы (или изверженные) образуются в процессе кристаллизации расплава магмы, поэтому их называют первичными.
• В зависимости от условий охлаждения (отвердевания) магмы выделяют две группы: глубинные (интрузивные) и излившиеся(эффузивные).
Глубинные породы образуются в глубине земной коры при медленном, сравнительно равномерном остывании магмы и значительном давлении верхних слоев, что способствует процессам кристаллизации. Они имеют зернисто-кристаллическое строение, однородную текстуру, большую плотность, высокую прочность на сжатие и морозостойкость, низкое водопоглощение и большую теплопроводность. К ним относятся: гранит, сиенит, габбро, диориты, кварцевые диориты и др.
По размерам зерен среди кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний размер зерен более 5 мм),
среднезернистые (1-5 мм) и мелкозернистые (0,5-1 мм).
Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии – 100-300 МПа; плотность – 2600-3000 кг/м3 водопоглощение – меньше 1% по объему; теплопроводность – около 3 Вт/(м.º С).
Обработка таких пород из-за их высокой прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются.
Излившиеся породыобразуются вблизи и на поверхности земной коры при быстром остывании магмы. Некоторая часть магмы, излившаяся на поверхность, уже содержит кристаллы отдельных минералов, поэтому в большинстве случаев эти породы состоят из отдельных хорошо сформировавшихся кристаллов, вкрапленных в основную скрытокристаллическую массу.
Такое строение называют порфировым. К излившимся породам относятся: кварцевый порфир, андезит, диабаз, базальт и др.
При очень быстром охлаждении расплавленной магмы, выбрасываемой при извержении вулканов, породы приобретают пористое аморфное (стекловидное) строение. К таким породам относятся: рыхлые (вулканические пеплы, пески) и сцементированные (вулканические туфы, трассы и др.).
Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся пористые.
К плотным излившимся породам относятся трахиты, липариты, андезиты, базальты и диабазы.
К пористым излившимся породам относят пемзу, вулканические туфы и пеплы, туфолавы.
2. Осадочные горные породы(вторичные) образуются в результате разрушения или выветривания магматических пород, химической или биологической переработки природного минерального сырья. Обычно они залегают пластами, слоями.
К этой группе относятся:
1) Обломочные породы (механические осадки):
- рыхлые (песок, гравий, глина);
- оставшиеся на месте разрушения пород или перенесенные водой, льдом (ледниковые отложения) или ветром (эоловые отложения);
2) Сцементированные породы (песчаник, брекчия, конгломерат).
3) Химические осадки или хемогенные (например, гипс, известковые туфы) образовавшиеся из продуктов разрушения пород, перенесенных водой в растворенном виде : растительные (фитогенные) – трепел, диатомит, опока; животные (зоогенные) – мел, известняк-ракушечник, известняки.
Главными породообразующими минералами этих пород являются минералы:
- из группы кремнезема:
опал, халцедон, осадочный кварц;
- из карбонатов: кальцит, доломит,
магнезит;
- из глинистых минералов:
каолинит, монтмориллонит, гидрослюды;
- из группы сульфатов: гипс и ангидрит;
- органические остатки в осадочных породах: диатомиты.
3. Метаморфические горные породы являются продуктом перекристаллизации горных пород любого состава под действием температуры, давления и других факторов в земных недрах. Их еще называют третичными.
Минералы, слагающие метаморфические породы можно разделить на следующие группы: минералы широко распространенные как в метаморфических, так и в магматических породах (полевые шпаты, кварц, слюда, роговая обманка, большинство пироксенов, оливин и др); типичные для осадочных пород минералы (кальцит, доломит).
Минералы, которые могут находиться в метаморфических породах в качестве вторичных (серпентин), специфические метаморфические минералы, присутствие которых возможно только в глубоко преобразованных метаморфических породах.
• Основные разновидности метаморфических горных пород
• Гнейсы
• Кварциты
• Мрамор
Обработка природных каменных материалов
По виду обработки природные каменные материалы делят на следующие виды:
грубо обработанные (бутовый камень, щебень, гравий, песок);
изделия и профилированные детали из природного камня;
штучный камень и блоки правильной формы (для кладки стен);
плиты с различно обработанной поверхностью (облицовочные для стен, пола);
профилированные детали (ступени, подоконники, наличники, капители колонн;
изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка).
По способу изготовления природные каменные и изделия можно разделить на пиленные (стеновые камни и блоки,
облицовочные плиты и плиты для пола);
и колотые (бортовые камни и блоки, брусчатка, шашка для мощения).
Используя ударную и абразивную обработку природному камню придают ту или иную фактуру – различный характер поверхности.
Ударная обработка дает возможность получить следующие фактуры:
рифленую с правильным чередованием гребней и впадин глубиной до 2мм;
бороздчатую – с параллельными прерывистыми бороздками глубиной 0.5 - 1 мм;
точечную – с шероховатую с точечными углублениями 0.5 - 2 мм.
Абразивная обработка- включает распиливание, фрезерование (для получения профилированных изделий – ступеней, карнизов), шлифовку и полировку.
Абразивная обработка дает фактуры: пиленную – с тонкими штрихами бороздками глубиной до 2мм; шлифованную – равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0.05 мм; лощенную – гладкую матовую с выявленным рисунком камня; зеркальную – гладкую с блеском.
