Лекция 4. Природные каменные материалы 4.1. Общие сведения

– материалы, получаемые механической обработкой или без специальной обработки горных

пород.
Горные породы – значительные по объему скопления различных минералов в земной коре, образовавшиеся под влиянием одинаковых условий.
Минерал – природное тело, одинаковое по химическому составу, строению и химическом свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов, происходящих в земной коре.
Свойства минералов оцениваются, в основном, по показателям:
твердость;
прочность;
плотность;
химический состав;
оптические свойства;
тепловые свойства;
электрические свойства;
магнитные свойства.
Механическая обработка:
раскалывание;
распиливание;
дробление.
Таким способом получают:
облицовочные плиты;
камни и блоки для кладки стен;
бутовый камень, щебень.
Широко используются в современном строительстве:
прямое использование – облицовка зданий и инженерных сооружений; возведение стен зданий; устройство лестниц и настилка полов; заполнители для бетонов и растворов; в дорожном и гидротехническом строительстве;
в промышленности строительных материалов для получения других материалов: керамики, вяжущих веществ, стекла и др. При таком использовании изменяются строение, состав и свойства исходных горных пород.

основывается на классификации горных пород, учитывающей их происхождение (генезис).
По генетической

классификации, горные породы делятся на три основные группы:
изверженные или магматические (первичные);
осадочные (вторичные);
метаморфические (видоизмененные). См. табл. 4.1.

состоят горные породы.
В природе найдено и изучено более 2000 минералов,

но лишь 50 из них являются породообразующими.
Породообразующие минералы — минералы, входящие в качестве постоянных существенных компонентов в состав горных пород.
Наибольшее значение имеют силикаты (75 % массы земной коры). Для каждой группы пород — магматических, метаморфических и осадочных — характерны свои ассоциации породообразующих минералов.
Минералы группы кремнезема - ряд минералов, представляющих собой модификацию двуокиси кремния:
кварц; опал; халцедон.
Полевые шпаты (алюмосиликаты натрия, калия, кальция) – наиболее распространенные в природе минералы по массе горных пород:
граниты; диориты; габбро; андезиты; сиениты.
Железисто-магнезиальные силикаты:
габбро;
базальты;
диабазы.
Слюда – группа минералов, представляющие алюмосиликаты слоистой структуры и обладающие совершенной спайностью в одной плоскости.
Асбест – группа минералов, представляющие водные силикаты магния и железа, образуют агрегаты, сложенные тончайшими гибкими волокнами, которые легко расщепляются на составляющие их волокна.
Глинистые минералы – группа водных силикатов алюминия - составляют основную массу глин, самый распространенный из которых каолинит . Белые каолинитовые глины используют при производстве тонкой керамики - фарфор, фаянс.
Кальцит (известковый шпат ) – один из наиболее распространенных минералов в земной коре. Кальцит основной породообразующий минерал таких пород, как мел, известняк, известковый туф, входит в состав мрамора.
Магнезит - близок по свойствам к кальциту, но встречается значительно реже.
Доломит - по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже.
Гипс - мягкий минерал, кристаллизуется в виде зернистых (алебастр) и волокнистых масс (селенит).
Ангидрит - безводная разновидность гипса.

магматических пород на земле. Глубинная горная порода. Имеет ярко выраженное

зернокристаллическое строение (рис. 4.1.).







а. б.
Рис. 4.1. а. - зерно-кристаллическое строение гранита (К – кварц; О – ортоклаз; С – слюда; б – применение гранита
Строительные свойства гранита: , , , морозостойкость > 200 циклов.
Габбро – глубинная горная порода, структура кристаллическая, крупнозернистая (рис. 4.2.),

а. б.
Рис. 4.2. а. – габбро, структура кристаллическая, крупнозернистая; б – применение габбро

. Повышенная ударная вязкость, устойчивость к выветриванию, хорошо полируется (рис. 4.3.).

а. б.

Рис. 4.3. а- диориты; б – Алупкинский (Воронцовский) дворец.
Порфиры – свойства порфиров близки к свойствам аналогичных им глубинных пород (например, кварцевый порфир), однако вследствие скрытокристаллического или стекловатого строения основной массы и наличия вкрапленников стойкость их против выветривания ниже глубинных (рис. 4.4.).







а. б.
Рис. 4.4. а - порфировая структура (м.з. – масса мелких зерен; В – «вкрапленники»; б-б применение порфира

крупности (рис. 4.5.).

, обладают большой ударной вязкостью и малой истираемостью.

а. б.
Рис. 4.5. а – структура диабаза; б – применение диабаза
Базальты (аналоги габбро) – самые распространенные излившиеся породы (рис. 4.6.). В зависимости от условий, при которых происходило остывание магмы, структура базальта может быть стекловатой или скрытокристаллической, , .

Однако, при наличии трещин и пор значительно понижается, доходя до . Базальты очень твердые и хрупкие, что затрудняет их обработку.






а. б. в.
Рис. 4.6. а – месторождение базальта; б – камень из базальта; в – утеплитель на основе базальта

вулканической лавы, выброшенные в раздробленном состоянии. При размере частицы

- вулканический пепел, - вулканический песок (рис. 4.7.).

а. б.
Рис. 4.7. а. – вулканический пепел; б – вулканический песок
Пемза – легкая пористая (до 80 %) порода, благодаря наличию крупных и мелких замкнутых пор не гигроскопична и морозостойка (рис. 4.8.). Обладает низкой
теплопроводностью , малой насыпной плотностью , .








а. б.

Рис. 4.8. а - пемза; б – пористая структура пемзы

приходится ≈ 5 %, занимают ≈ 70 % площади земной

поверхности.
В зависимости от условий образования осадочные породы подразделяются на три группы:
механические отложения;
химические осадки;
органогенные отложения.
Механические отложения образовались в результате разрушения других пород под воздействием процесса выветривания. Наиболее характерные из них следующие:
Песчаники – состоят из зерен кварцевого песка, сцементированные природным цементом (карбонатом кальция, водным кремнеземом, глинистыми минералами) (рис. 4.9.). В зависимости от цементирующего вещества песчаники бывают: известняковыми,
кремнистыми, глинистыми. . Наиболее прочные и износостойкие
кремнистые песчаники.









а. б.
Рис. 4.9. а – кремнистый песчаник; б – отделочные материалы из песчаника

природным цементом остроугольные зерна природного щебня (рис. 4.10.).

а. б. в.
Рис. 4.10. а – конгломераты; б – брекчии; в – применение конгломератов и брекчии
Химические осадки образовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород (гипс, ангидрид, магнезит, доломит, известковые туфы).
Гипс – горная порода белого цвета. , (рис. 4.11.).







а. б.
Рис. 4.11. а- природный гипс; б – изделия из гипса

гипс (рис. 4.12).



а. б.
Рис. 4.12. а – природный ангидрит; б –

применение ангидрита
Известковые туфы – образовались в результате осаждения из источников подземных углекислых вод. Обладают малой прочностью и хорошо поддаются распиловке (кроме травертина – плотное мелкозернистое строение с ) (рис. 4.13).







а. б. в.
Рис. 4.13. а – известковый туф; б – применение; в – разработки травертина в карьере
Магнезит – кристаллическая порода, состоящая, в основном, из магнезита (рис. 4.14).






а. б. в.
Рис. 4.14. а – магнезит; б. – разработка магнезита открытым способом; в – применение (теплоизоляционные плиты).

с примесью глины и др. По свойствам близки к плотным известнякам (рис. 4.15.), , .

а. б.
Рис. 4.15. а- доломит; б – применение в отделке фасадов
Органогенные породы образуются в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов в водных бассейнах. К ним относят различные карбонатные и кремнистые горные породы (известняки, мел, диатомит и трепел).
Известняки – широко распространенная горная порода состава: . По структуре подразделяют:
плотные, Пористые , мраморовидные, ракушечники, оолитовые, землистые (мел). Плотные известняки:
, ; пористые , .

Мраморовидные известняки – переходные породы от известняков к мраморам: , (рис. 4.16.).



а. б. в.

Рис. 4.16. а - мраморовидные известняки; б- карьер по разработке мраморовидного известняка; в – применение в античной классике

слабо сцементированных известковым цементом (рис. 4.17.).

, , имеет малую теплопроводность и легко распиливаются.

а. б.
Рис. 4.17. а – известняк-ракушечник; б – разработка известняка-ракушечника в карьере
Мел – землистая порода, которая представляет собой затвердевший морской осадок, состоящий из мелких обломков кальцита, одноклеточных организмов и микроскопических раковин. Обладает высокой дисперсностью (рис. 4.17.).
Диатомиты и трепелы – богатые аморфным кремнеземом породы. В них содержится до 75÷96 %

активного кремнезема (рис. 4.18), , теплопроводность .




а. б.
Рис. 17. а – разработка мела в карьере; б – строительный мел




а. б. в. г.
Рис. 18. Разработка диатомита в карьере; б – применение диатомита; в – трепел; г - применение трепела.

под действием высоких
температур и огромного всестороннего давления.

,
, водопоглощение 0,1÷0,7 %, относительно высокая прочность на истирание (рис. 4.19).





а. б.
Рис. 19. а – мрамор; б – применение изделий из мрамора в строительстве
Кварциты – метаморфическая разновидность кремнистых песчаников, с перекристаллизованными с сросшимися зернами кварца. Имеют стойкость к
выветриванию, , (рис. 4.20).


Гнейсы – образовались в результате перекристаллизации гранитов и др. пород при высокой температуре и одностороннем давлении, поэтому они имеют сланцеватое строение, сто определяет их анизотропные свойства.

Глинистые сланцы – плотная и твердая глинистая порода сланцевого строения, образовались из глин, сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся под большим односторонним давлением. В отличие от глин не размокают в воде и при увлажнении, не обладают пластичностью.

в – месторождений гнейсов; г – применение гнейсов; д –

глинистые сланцы; е – применение в виде кровельного материала

свойствам:
высокой прочности;
долговечности;
широкому диапазону декоративных возможностей;
неограниченными запасами.
Этот материал прошел испытание временем:

сохранились до наших дней монументальные сооружения в Египте, Греции, Италии, России. В Украине широко используются материалы из природного камня.
Каменные материалы разделяют:
по плотности: на тяжелые и легкие ;

по пределу прочности на сжатие (МПа) на марки: для тяжелых от 10 до 100; для легких от 0,4 до 20;
по морозостойкости (Мрз): тяжелые: 15÷500; легкие 10÷25.
По степени обработки природные каменные материалы различают:
грубообработанные (песок, гравий, щебень, бутовый камень);
профилированные (пиленые штучные камни и блоки для стен; камни, плиты и профильные изделия для наружной и внутренней облицовки, полов, дорожного строительства).

изделий включает:
добычу горной породы;
ее обработку.
В камнеобрабатывающей промышленности принята следующая классификация

горных пород:
твердые породы – минералы с твердостью 6-7 (гранит, кварцит, габбро);
средние породы минералы с твердостью ≤ 5 (мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа);
мягкие породы пористые породы с твердостью 2-3 (известняк-ракушечник, ангидрит, гипс);
рыхлые породы – песок, гравий, глина.
На рис. 21 приведены примеры некоторых станков для механической обработки природных каменных материалов.







а. б. в.
Рис. 21. а - дисковая распиловочная рамная пила; б – фрезерно-окантовочный станок; в – шлифовально-полировальный станок