СМ 2013

41

поверхности литосферы (магматические и осадочные), могут оказаться в зоне метаморфизма, на глубине 6-8 км и более. В этой зоне на горную породу действуют большие давления, высокая температура, растворы­ и газы, что приводит к изменению строения, а иногда химического и минерального составов.

Различают метаморфические горные породы, образовавшиеся из изверженных (гнейс) и из осадочных (кварцит, сланцы и мрамор) пород.

Метаморфические породы имеют зернисто-кристаллическую структуру и плотную сланцеватую или гнейсовую текстуру.

Гнейс образуется из гранита, сходен с ним по химическому и минеральному составу, но отличается по текстуре – имеет более или менее резко выраженную сланцеватость. Средняя плотность гнейсов изменяется в пределах от 2,5 до 2,6 г/см², предел прочности при сжатии – 130-300 МПа. Гнейс, так же как и гранит, применяется в строительстве в виде бутового камня, облицовочных материалов (блоков и плит), архитектурно-строи- тельных изделий, бортовых камней.

Кварцит является продуктом метаморфизма кремнистых песчаников. Кварцит – горная порода белого цвета, примеси окрашивают его в желтый, красный и другие цвета. Это мономинеральная горная порода, состоящая из кварца плотная, химически стойкая. Средняя плотность кварцита – 2,6-2,7 г/см³, предел прочности при сжатии – до 400 МПа. Кварцит используется в производстве стекла, огнеупорного кирпича. Применяется как высококачественный, весьма долговечный облицовочный материал, в том числе кислотостойкий. Щебень из кварцита является заполнителем для кислотостойкого бетона.

Глинистый сланец образуется в результате метаморфизации глин. Текстура сланцеватая, раскалыванием сланец можно разделять на пластинки толщиной до 3 мм. Водо- и морозостойкая горная порода, средняя плотность – 2,7-2,9 г/см³, предел прочности при сжатии – 60-120 МПа. Применяется для изготовления облицовочных (наружная облицовка) и кровельных плит.

Мрамор – зернисто-кристаллическая горная порода, состоящая из кальцита или доломита, образуется путем метаморфизации известняков и доломитов. Чистый мрамор (например, Коелгинского месторождения на Урале) – порода белого цвета, однако цвет мраморов может быть весьма разнообразным, что обусловлено различными примесями. Средняя плотность мрамора – 2,6-2,8 г/см³, предел прочности при сжатии – 40-170 МПа. Вследствие высокой декоративности, а также сравнительно легкой

добычи и обработки, мрамор с древних времен применялся для изготовления монументальной скульптуры, в облицовке при строительстве храмов и жилых домов. В настоящее­ время на территории РФ разведаны и разрабатываются более 40 месторождений мраморов и мраморизованных

42 Глава 2.  Природные каменные материалы

известняков. Мрамор применяется как облицовочный материал (блоки, плиты): щебень и песок из мрамора (мраморная крошка) используются в декоративных бетонах и строительных растворах (приложение, рис. А.56, А.57).

Техническая характеристика метаморфических горных пород некоторых месторождений РФ приведена в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Физико-механические свойства метаморфических горных пород

		Плотность, г/см³		Порис­	Предел
					прочности
	Месторождение			тость,
					при сжа­
		истинная	средняя	%
					тии, МПа
	Шокшинское (кварцит),	2,63	2,6	0,4	До 150
	Карелия
	Уфалейское (мрамор),	2,80	2,6-2,7	0,5-0,9	50-130
	Свердловская область
	Коелгинское (мрамор),	2,65	2,6-2,7	0,3-0,7	40-70
	Урал
	Кибик-Кордонское (мра-	2,80	2,7	0,1-0,4	65
	мор), Красноярский край

2.4.  Добыча и обработка горных пород

Горные породы добывают открытым способом (в карьерах). Горно­ добывающая промышленность получает продукцию трех типов:

1.Камень необработанный (бутовый).

2.Камень дробленый (щебень).

3.Камень штучный (блоки).

Выбор способа отделения от массива зависит от физико-механичес- ких свойств горной породы, условий ее залегания (отдельности) и типа продукции, которую нужно получить.

Подготовка к добыче и добыча горных пород включает несколько этапов:

1.Детальную разведку месторождения, определение запасов сырья, разработку проекта добычи и технико-экономическое обоснование.

Вэтот период производят отбор проб породы, их испытание, определяют физико-механические свойства.

2.Вскрытие месторождения – удаление покровного слоя и участков, подвергшихся выветриванию. Далее производят организацию карьера, добычу массивных пород ведут уступами.

43

3.Отделение горной породы от массива, зависящее от отдельности

ифизико-механических свойств породы.

Рыхлые горные породы (глина, песок, гравий) разрабатывают экскаваторами и гидромеханическим способом (драги, землечерпалки) – размывают породу водой и транспортируют по трубопроводам.

Массивные горные породы – породы плотные, средней и низкой прочности, мягкие, а также пористые вулканические туфы, пористые­ известняки, доломиты и песчаники разрезают дисковыми или канатными пилами и получают крупные или мелкие блоки, соответствующие требованиям ГОСТ РФ (приложение, рис. А.6-А.11).

При производстве облицовочных материалов, выбор способа разработки определяется средней плотностью, пористостью, прочностью и твердостью горной породы.

В табл. 2.4 приведена технологическая классификация горных пород.

				Таблица 2.4
	Технологическая классификация горных пород
	Группа горных	Предел	Твердость по	Наименование горной
		прочности при	минералоги­
	пород	сжатии, МПа	ческой шкале	породы
				Кварцит, гранит, сиенит,
	Прочные	100-500	6-7	диорит, лабрадорит,
				габбро, базальт
	Средней			Мрамор, плотные извест-
		10-100	3-5	няки и доломит, плотный
	прочности
				песчаник и туф
	Низкой	Менее 10	1-3	Гипс, ангидрит, пористые
	прочности			известняки и доломиты

Породы плотные, твердые (магматические глубинные или излившиеся, а также гнейс и кварцит). Способ отделения зависит от типа продукции.

Бутовый камень получают взрывным способом. Взрывной способ добычи состоит из следующих операций: бурение скважин в массиве; закладка взрывчатых веществ и взрывание. При этом порода дробится на куски (отделение от массива). Применяются бризантные (дробящие) взрывчатые вещества – аммонит, тротил и другие.

Удаление (выемка) горных пород при открытом способе производится слоями с опережением верхними слоями нижних, в результате образуются уступы. Выемка осуществляется двумя, тремя и реже большим числом уступов. Сочетание уступов, находящихся в разработке, составляет рабочую зону карьера. При добыче скальных пород ширина взрываемого блока изменяется в пределах от 15 до 45 м.

44 Глава 2.  Природные каменные материалы

Образовавшиеся при взрыве негабаритные куски, размеры которых превышают допустимые для экскаваторов, также дробят взрыванием (приложение, рис. А.13).

Транспортирование горной породы из карьера на дробильно-сортиро- вочный завод с целью ее переработки осуществляется главным образом в большегрузных автосамосвалах (приложение, рис. А.14). Основные технологические процессы переработки горных пород – дробление исходной горной массы и разделение на фракции (грохочение); иногда производится промывка щебня, гравия и песка, а также обогащение с целью снижения содержания глинистых и пылевидных фракций.

Горные породы, предназначенные для производства облицовочных материалов, нельзя отделять от массива буровзрывным способом, так как при применении бризантных взрывчатых веществ в массиве образуются трещины, отрицательно влияющие на строительно-технические свойства камня.

Разработка пород включает следующие операции: отделение от массива крупных блоков (размером до 4 м); подготовку блока к разделке (выравнивание поверхности); разделку крупных блоков на мелкие блоки требуемых размеров; обработку поверхности и кромок.

Применяются различные способы отделения блоков от массива. Добыча блоков облицовочного камня в карьерах производится в одну

или две стадии. При одностадийной добыче блоки получают непосредственно из массива горной породы, при двухстадийной – от массива отделяют монолит (цельная глыба), который затем разделывают на блоки. При добычи блоков из прочных пород отделение монолитов производят буровзрывным, буроклиновым, термическим или комбинированным способами. При буровзрывном способе используют шпуровые или скважинные заряды, метательные взрывчатые вещества и детонирующий шнур (не более двух ниток в шпуре). Шпуры располагают вблизи вертикальных трещин и бурят до основания отделяемого монолита или до горизонтальных трещин. Буроклиновый способ успешно применяют при отделении монолита от массива пород, обладающих способностью раскалываться по сравнительно ровным плоскостям.

Все двухстадийные способы добычи блоков камня включают следующие последовательно выполняемые операции: отделение монолита от массива, перемещение от забоя для разделки на блоки, разделение монолита, грубая обработка блоков, погрузка их и отходов в транспортные средства.

Для добычи блоков пород средней прочности и низкопрочных применяют камнерезные машины с кольцевыми фрезами, камнерезные баровые машины (приложение, рис А.8), канатные пилы (приложение, рис. А.10, А.11), используют буроклиновый, иногда буровзрывной, а также

45

комбинированный способы (приложение, рис. А.6, А.7). Камнерезные машины рекомендуются на разработке горных пород с пределом прочности при сжатии до 20 МПа при наличии включений твердых минералов (кварца) не более 5 %.

Канатные пилы, с использованием в качестве свободного абразива кварцевого песка (с диаметром основной фракции 0,3-0,6 мм), рекомендуется применять в нетрещиноватых породах, в районах с зимней температурой не ниже -5 °С, при отсутствии в камне твердых абразивных включений. Высоту монолита при использовании канатных пил принимают от 4 до 8 м, длину – от 6 до 15 м, ширину – до 2 м.

Впоследние годы на карьерах по добыче мрамора применяют алмазные канатные пилы как для выпиливания монолитов, так и для разделки их на блоки. Рабочим органом алмазной пилы является несущий трос, армированный алмазными втулками (приложение, рис. А.11).

Наиболее крупными карьерами в РФ являются Коелгинский и КибикКордонский (см. табл. 2.3).

При добыче блоков средний выход продукции не превышает 20 % горной массы. При обработке камня (распиловка, окантовка и шлифовка) потери могут достигать 50 % массы блока. Отходы всех видов используются для получения щебня и песка – заполнителей для бетонов и строительных растворов, декоративных заполнителей (каменной крошки), известняковой муки, которую можно применять в качестве наполнителя, а также для производства искусственных облицовочных материалов (плит и блоков) на минеральных (портландцемент) и органических (синтетические смолы) связующих. Это позволяет осуществить полную (безотходную) переработку добываемой горной массы.

Взависимости от способа обработки крупных блоков получают облицовочный камень и изделия с различным рельефом поверхности (фактурой). По способу изготовления камни разделяют на пиленые и колотые, по характеру обработки их поверхности различают фактуры, полученные скалыванием, и абразивные (истирание твердыми порошкообразными материалами, например корундом).

При обработке пород скалыванием получают следующие фактуры.

Фактура «скала» имеет грубый рельеф, образуется при раскалывании блоков с дополнительной обработкой лицевой грани (приложение, рис. А.21).

Бугристая фактура (грубая, средняя и мелкая) различается высотой рельефа (максимальным расстоянием от выступа до впадины) на лицевой поверхности. Такую фактуру получают при обработке инструментом с насадкой, называемой шпунтом.

Рифленая фактура с шероховатой поверхностью и параллельными бороздами глубиной до 3 мм образуется при обработке поверхности троянкой.

46 Глава 2.  Природные каменные материалы

Бороздчатая фактура с прерывистыми бороздами глубиной до 3 мм получается при обработке камня крестовой бучардой.

При распиливании блоков рамными или дисковыми пилами образуется пиленая фактура.

Резка камня струей высокотемпературного газа формирует термо­ струйную фактуру (рельеф до 5 мм).

Абразивные фактуры получают обработкой поверхности горной породы твердыми порошкообразными веществами на шлифовальных и полировочных машинах. Рельеф поверхности и тип фактуры определяется­

размерами зерен абразива (алмазный порошок, корунд). Шлифованная фактура – шероховатая матовая поверхность с высо-

той рельефа 0,2-0,5 мм.

Лощеная фактура – гладкая матовая поверхность, возможно проявление рисунка (структуры и текстуры камня).

Полированная (зеркальная) фактура характеризуется зеркальным блеском, отражением предметов.

Абразивные фактуры относятся к числу дорогих, но они повышают декоративность природного камня, применяющегося в отделке.

Различают облицовочные материалы для наружной и внутренней облицовки. Производство облицовочных плит включает операции распиловки блока, шлифование, полирование, фрезерно-окантовочные работы. Выпускаются также архитектурно-строительные детали: ступени, проступи, парапеты, подоконные доски, балясины и др.

Выветривание каменных материалов, применяющихся в

строительстве, и способы борьбы с выветриванием

При эксплуатации строительный камень постепенно разрушается под действием окружающей среды (выветривание). Как было отмечено ранее (образование осадочных горных пород), факторы, приводящие к разрушению горных пород, можно подразделить на три группы: физические, химические и биологические (органические).

Скорость выветривания определяет долговечность природного камня, применяемого в наружных строительных конструкциях – стенах, колоннах, лестницах, набережных и др.

По долговечности (сроку службы до появления признаков выветривания) природный камень и горные породы подразделяется на четыре группы:

1.Весьма долговечные (до 650 лет) – кварцит, мелкозернистый гранит.

2.Долговечные (до 350 лет) – крупнозернистый гранит, сиенит, габбро, лабрадорит.

3.Относительно долговечные (до 150 лет) – белый мрамор, плотный известняк и доломит.

47

4. Недолговечные (20-75 лет) – цветной мрамор, гипсовый камень, пористый известняк и другие.

Важным этапом является рациональный выбор природного камня для наружных конструкций. При изменении температуры воздуха, вследствие неравномерного нагревания и существенного различия коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) минералов в полиминеральной горной породе возникают тепловые напряжения, которые могут привести к образованию микротрещин. Уровень напряжений зависит от структуры горной породы – размеров кристаллов. Относительно более долговечными являются плотные мономинеральные горные породы средне- и мелкозернистой, равномерно-зернистой структуры. Полиминеральные горные породы крупнозернистой и неравно- мерно-зернистой (порфировой и порфировидной) структуры относятся к сравнительно менее долговечным, например крупнокристаллический гранит («рапакиви» – гнилой камень).

Недолговечные и относительно долговечные горные породы в некоторых случаях нуждаются в защите от выветривания. Способы защиты подразделяются на конструктивные и консервационные.

Конструктивные способы заключаются в разработке рациональных строительных конструкций, например обеспечивающих защиту от увлаж­ нения (карнизы, системы водоотвода), а также выравнивание поверхности – шлифование и полировку отделочного камня.

Консервационная защита заключается в пропитке пористого камня на достаточную глубину, повышении плотности поверхностного слоя, заполнении открытых пор.

В зависимости от химического, минерального составов и текстуры применяются различные способы защиты.

1. Флюатирование и аванфлюатирование – пропитка карбонатных пород растворами солей кремнефтористоводородной кислоты

MgSiF + 2CaCO = 2CaF + MgF + SiO + 2CO .

При этом образуются малорастворимые в воде вещества (фториды кальция и магния, кремнегель), заполняющие поры и повышающие плотность поверхностного слоя.

При обработке пород, не содержащих карбонатов, вначале производится пропитка водным раствором CaCl (аванфлюатирование) с последующей обработкой кремнефторидом.

2. Обработка поверхности карбонатных пород жидким стеклом (силикатирование)­ . Коагуляция жидкого стекла и его химическое взаимодействие с основой (CaCO ) приводят к образованию малорастворимых в воде веществ (кремнегеля, гидросиликатов кальция), которые

48 Глава 2.  Природные каменные материалы

заполняют поры. Обработка горных пород, не содержащих CaCO , также производится в две стадии: первичная пропитка жидким стеклом и последующая обработка водным раствором CaCl .

3. Гидрофобные покрытия. На открытую поверхность камня наносят тонкие (в том числе мономолекулярные) слои гидрофобизаторов – несмачивающихся водой веществ. В качестве гидрофобизаторов используют растворы или эмульсии солей жирных кислот – стеараты кальция, алюминия, цинка, а также высокомолекулярные кремнийорганические смолы (силиконы).

49

Глава 3.  СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА

Керамика – изделия и материалы, полученные спеканием сырьевых смесей при обжиге (keramos – глина). Производство керамики было освоено в эпоху неолита, за 5 тыс. лет до н. э. В качестве сырья использовалась глина, пластические свойства которой позволяли изготавливать изделия различной формы – посуду, кирпич, черепицу и др. Обжиг применялся с целью повышения прочности, твердости, водо- и огнестойкости. Использование керамики в строительстве жилища относится к 4-3 тысячелетиям до н. э. Керамические изделия относятся к неорганическим, неметаллическим и техногенным.

В настоящее время керамическое производство и изделия можно подразделить на две группы:

1.Традиционная керамика, получаемая из сырьевых смесей, содержащих природное сырье – глину. К этой группе относится строительная керамика (кирпич, черепица, керамические трубы).

2.Современная керамика, которую изготавливают из искусственного сырья – оксидов, нитридов, карбидов. К этой группе относятся керамика, применяемая в радиоэлектронике, космической технике, а также композиционные керамические материалы, например керметы.

3.1.  Сырье, применяемое для производства строительной керамики

Строительную керамику получают из сырьевых смесей (шихт), содержащих глину.

Глинами называют осадочные горные породы, относящиеся к группе механических отложений, состоящие из глинных минералов (водных алюмосиликатов) и обладающие свойством пластичности. Основными химическими компонентами глин являются SiO (30-70 %), Al O (10-40 %) и H O (5-10 %). Кремнезем находится в глине в химически связанном и в свободном состоянии. Связанный SiO входит в состав глинных минералов, свободный – представлен кварцевым песком.

Глины могут также содержать TiO , Fe O , FeO, MnO, MgO, CaO, K O, Na O. Они образуются при выветривании горных пород, включающих полевые шпаты, и состоят из минералов, относящихся к группе водных алюмосиликатов – каолинита, монтмориллонита, гидрослюд, палыгорскита. Глины обычно содержат примеси, представленные обломками первичных пород, растительными остатками, а также карбонатами (кальцит) и сульфатами (гипс). По условиям образования глины подразделяют на первичные, образовавшиеся на месте выветривания горных пород, и вторичные, или отложные. Вторичные глины образуются

50 Глава 3.  Строительная керамика

отложением частиц, переносимых водными потоками, ледниками и ветром. Распространенным­ породообразующим минералом глин является каолинит Al O  · 2SiO  · 2H O. Глина, состоящая преимущественно из каолинита, называется каолином. Каолинит и обогащенные каолины используются в производстве­ огнеупорной и тонкой керамики – фаянса и фарфора. В глинах преобладают частицы размером менее 0,01 мм, содержатся также пылевидные (до 0,15 мм) и песчаные частицы (0,15-5,00 мм). С увеличением содержания в горной породе грубодисперсных частиц происходит переход от глины к песку (табл. 3.1).

			Таблица 3.1
	Зерновой состав осадочных горных пород
	Наименование породы	Содержание частиц, % массы
		глинистых	пылеватых и песчаных
	Тяжелая глина	Более 60	Менее 40
	Глина	60-30	40-70
	Суглинок	30-10	70-90
	Супесок	10-5	90-95
	Песок	Менее 5	Более 95

В производстве строительной керамики используются глины и суглинки. По ГОСТ 9169 по содержанию тонкодисперсных фракций глинистое сырье подразделяют на четыре группы (табл. 3.2).

	Группы глинистого сырья			Таблица 3.2
Наименование		Содержание частиц, размером менее
		10 мкм		1 мкм
Высокодисперсные		Более 85		Более 60
Среднедисперсные		60-85		40-60
Низкодисперсные		30-60		15-40
Грубодисперсные		Менее 30		Менее 15

Грубодисперсные глины обычно содержат много примесей. Наиболее распространенной примесью в глинах является кварц, в виде песчаных частиц размером до 5 мм. Эти частицы понижают пластичность глин, но при этом уменьшаются деформации их при сушке и обжиге (воздушная и огневая усадка). Обломки первичных пород – слюды, полевые шпаты – понижают температуру спекания глин при обжиге, т. е. являются плавнями.

Карбонаты, например кальцит, магнезит и доломит являются вредными примесями. Разложение карбонатов при обжиге и выделение CO может