226

Природные каменные материалы

Лекция

География, геология и геодезия

Горные породы и породообразующие минералы. Важнейшие изверженные породы. Материалы и изделия из природного камня. Добыча и обработка каменных материалов. Дисковая распиловочная рамная пила. Важнейшие метаморфические породы.

Русский

2012-11-14

379.5 KB

353 чел.

Природные каменные материалы

1. Общие сведения

Природные каменные материалы – 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.

2. Горные породы и породообразующие минералы

Изучение свойств природных каменных материалов 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. 1.1.

Табл. 1.1.

Генетическая классификация горных пород

Магматические породы (первичные)

Массивные:

глубинные: граниты, сиениты, диориты, габбро;

излившиеся: порфиры, андезиты, трахиты, диабазы, базальты

Излившиеся пористые:

рыхлые: вулканические пеплы, пемзы и др.;

цементированные: вулканические туфы, трассы, туфовая лава.

Осадочные породы (вторичные)

Механические отложения:

рыхлые: пески, гравий, глины, природный щебень

цементированные: песчаники, конгломераты, брекчии.

Химические осадки:

некоторые виды известняков, известняковые туфы, магнезиты, доломиты, гипс, ангидрит.

Органогенные отложения:

мел, большинство известняков, трепелы, диатомиты, опоки.

Метаморфические (видоизмененные) породы

Измененные изверженные породы:

гнейсы (из гранитов).

Измененные осадочные породы:

глинистые сланцы (из глин), мраморы (из известняков), кварциты (из песчаников).

3. Породообразующие минералы

Породообразующие минералы – те, из которых главным образом состоят горные породы.

В природе найдено и изучено более 2000 минералов, но лишь 50 из них являются породообразующими.

Краткая характеристика основных 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.

4. Важнейшие изверженные породы

Глубинные породы.

Граниты – наиболее распространенные из всех магматических пород на земле. Глубинная горная порода. Имеет ярко выраженное зернокристаллическое строение (рис. 1.).

 а.       б.

Рис. 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. 2.), , .

 а.       б.

Рис. 2. а. – габбро, структура кристаллическая, крупнозернистая; б – применение габбро

Диориты - , . Повышенная ударная вязкость, устойчивость к выветриванию, хорошо полируется (рис. 3.).

 а.        б.

Рис. 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.).

 а.       б.

Рис. 4. а - порфировая структура (м.з. – масса мелких зерен; В – «вкрапленники»; б-б применение порфира


Диабазы (аналоги габбро)
– плотные кристаллические породы с зернами различной крупности (рис. 4.5.). , обладают большой ударной вязкостью и малой истираемостью.

 а.       б.

Рис. 5. а – структура диабаза; б – применение диабаза

Базальты (аналоги габбро) – самые распространенные излившиеся породы (рис. 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. 6. а – месторождение базальта; б – камень из базальта; в – утеплитель на основе базальта 

(Слайд №7). Излившиеся пористые породы: вулканические пеплы и пески - порошкообразные частицы вулканической лавы, выброшенные в раздробленном состоянии. При размере частицы  - вулканический пепел,  - вулканический песок (рис. 7.).

 а.            б.

Рис. 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. 8.). Обладает низкой теплопроводностью , малой насыпной плотностью , .

а.       б.

Рис. 8. а - пемза; б – пористая структура пемзы

5. Важнейшие изверженные породы

В составе литосферы на долю осадочных пород 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. 9.). В зависимости от цементирующего вещества песчаники бывают: известняковыми, кремнистыми, глинистыми. . Наиболее прочные и износостойкие кремнистые песчаники.

 

а.       б.

Рис. 9. а – кремнистый песчаник; б – отделочные материалы из песчаника

Конгломераты – сцементированные округлые, гладкие зерна графия; брекчии – сцементированные природным цементом остроугольные зерна природного щебня (рис. 10.).

а.     б.     в.

Рис. 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. 11.).

а.        б.

Рис. 11. а- природный гипс; б – изделия из гипса

Ангидрит  - безводный гипс (рис. 12).

 а.       б.

Рис. 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. 13).

а.    б.     в.

Рис. 13. а – известковый туф; б – применение; в – разработки травертина в карьере

Магнезит – кристаллическая порода, состоящая, в основном, из магнезита  (рис. 14).

а.     б.    в.

Рис. 14. а – магнезит; б. – разработка магнезита открытым способом; в – применение (теплоизоляционные плиты).

(Слайд №11). Доломит – состоит, в основном, из минерала доломита  с примесью глины и др. По свойствам близки к плотным известнякам (рис. 15.),, .

 а.       б.

Рис. 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. 16.).

а.      б.     в.

Рис. 16. а - мраморовидные известняки; б- карьер по разработке мраморовидного известняка; в – применение в античной классике

Известняк-ракушечник – пористая порода. Состоит из раковин и панцирей моллюсков, слабо сцементированных известковым цементом (рис. 17.)., , имеет малую теплопроводность и легко распиливаются.

 а.       б.

Рис. 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. 17.).

Диатомиты и трепелы – богатые аморфным кремнеземом  породы. В них содержится до 75÷96 % активного кремнезема (рис. 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.

6. Важнейшие метаморфические породы

Мраморы – образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких температур и огромного всестороннего давления. , , водопоглощение 0,1÷0,7 %, относительно высокая прочность на истирание (рис. 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. 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.

а.   б.    в.   г.

д.      е.

Рис. 20. а – кварциты; б - применение кварцитов; в – месторождений гнейсов; г – применение гнейсов; д – глинистые сланцы; е – применение в виде кровельного материала

7. Материалы и изделия из природного камня

Природные камни обладают разнообразным 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).

8. Добыча и обработка каменных материалов

Технология производства каменных материалов и 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