72529

Природные каменные материалы (ПКМ)

Лекция

Производство и промышленные технологии

Добыча природного камня производится в карьерах. При промышленном карьере могут быть цехи по обработке камня дробильно-сортировочные установки. По виду выпускаемой продукции различают карьеры песчаные песчано-гравийные буто-щебеночные и карьеры штучного камня.

Русский

2014-11-24

370.5 KB

2 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1

   Лекция 3 по материаловедению (тема 2, 1-й курс)

Тема. Природные каменные материалы (ПКМ)

  1.  Горные породы – сырьевая база для производства строительных материалов. Определение ПКМ.

Сырьем для изготовления всех неорганических строительных материалов являются горные породы

Строительные материалы из горных пород могут быть получены двумя путями: механической обработкой и химической переработкой (чаще всего обжигом).

Природными каменными материалами в строительстве называют камни, полученные механической обработкой горных пород – дроблением, распиливанием, раскалыванием, фактурной обработкой поверхности. Некоторые горные породы, разрушенные самой природой, могут представлять собой готовый строительный материал (песок, гравий и др.)

  1.  Добыча природного камня

Добыча природного камня производится в карьерах. Карьером называется предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом (в отличие от шахты).

Каменные карьеры (рис.1) по значению делят на промышленные и притрассовые. Промышленный карьер – крупное, постоянно действующее предприятие. При промышленном карьере могут быть цехи по обработке камня, дробильно-сортировочные установки. Рядом с карьером размещается управление карьером, к карьеру проложена автодорога, часто и железнодорожная ветка.

[Рис 1 в ланом варианте лекции удален]

Рис.1. Каменный карьер

Притрассовые карьеры устраивают при строительстве дорог. Чаще всего в них добывается песок или гравий. К ним оборудуются временные пути подъезда – грунтовые дороги. Техника (экскаваторы и пр.) находится на карьере только в рабочее время. При удалении места строительства дороги от карьера, работы на нем прекращаются, выбирается место по ходу трассы и оборудуется новый карьер.

По виду выпускаемой продукции различают карьеры песчаные, песчано-гравийные, бутощебеночные и карьеры штучного камня.

При разработке нового карьера проводят сначала геодезические, дренажные и вскрышные работы. При вскрышных работах удаляется верхний слой, не содержащий требуемого камня (почва, растительность, сильно выветренные или загрязненные органикой слои грунта).

Основные работы на карьере называют добычными. Песок и гравий добывают экскаваторами, размывая при необходимости слежавшиеся в куски частицы гидромониторами. Крупный камень (бутовый камень и блоки для последующей обработки) отделяют от массива с помощью взрыва. Возможно также отпиливание и откалывание блоков мягких и средне-твердых пород непосредственно от монолита.

  1.  Виды и технология ПКМ

На схеме (рис.2) представлены различные виды ПКМ и способы их добычи и последующей обработки.

Рассев природного материала (разрушенного в природе) – см. верхнюю часть схемы – проводится с целью получения песка, гравия и валунного камня, для приведения материала в соответствие со стандартами (ГОСТами и ТУ) на строительный песок, гравий и дорожный булыжный камень.

Строительный песок – частицы минералов и горных пород размером менее 5 мм. ГОСТ допускает небольшое содержание в песке частиц крупнее 5 мм, благодаря чему песок из песчаных карьеров (а также речной песок) часто можно применять в строительстве без рассева. Песок используется строителями в качестве засыпок (звукоизолирующих и других), для устройства оснований дорог и как заполнитель строительных растворов и бетонов.

В песчано-гравийных карьерах добывают песчано-гравийную смесь, которую без рассева на песок и гравий недопустимо применять в строительных работах.

Гравий строительный – частицы горных пород размером 5... 70 мм, окатанные в природных условиях и имеющие сравнительно ровную поверхность. Гравий применяют в качестве заполнителя для цементных и асфальтовых бетонов, для насыпей, оснований дорог. Крупные фракции гравия иногда дробят в мелкий щебень.

Примечание. Понятия «песок» и «гравий» в строительстве и в геологии не совпадают (строительный песок и строительный гравий имеют другие размеры частиц, чем породы с тем же названием в геологии).

Рис.2 Виды природных каменных материалов при различных добычных работах и последующей обработке

Валунный камень – крупные куски камня до 50 см в поперечнике, окатанные в природных условиях. Применяют преимущественно для дробления в щебень, а валуны овальной формы размером до 20 см используют для мощения дорог и называют булыжным камнем.

Дроблением с предварительным взрывом монолита и последующим рассевом продукта дробления (см. правую часть схемы) получают бутовый камень, щебень и искусственный (дробленый) песок, называемый также «высевки».

Бутовый камень (бут) – крупные куски камня до 50 см в поперечнике, полученные при взрыве монолита в карьере (рваный бут) или при откалывании от монолита или блока (колотый бут – в левой части схемы). В отличие от валунов, бут имеет угловатую форму и неровную поверхность. Рваный бут используется преимущественно для дробления в щебень. Колотый бут из слоистых пород («бут-плитняк») имеет форму плиты с неровными краями. Его применяют для кладки фундаментов (бутовая кладка) и в дорожном строительстве.

Щебень – частицы камня размером 5... 70 мм (иногда до 140 мм), полученные дроблением более крупных кусков. В отличие от гравия имеет угловатую форму и неровную, шероховатую поверхность. Применяется как заполнитель для бетонов и в дорожном строительстве. (Технология производства щебня для бетона рассматривается более подробно для специальности ПГС в следующем вопросе)

Песок искусственный – частицы размером менее 5мм, полученные как неизбежный побочный продукт при дроблении бутового камня в щебень, его отсеивают от щебня, поэтому и называют также высевками. Используется, как и природный песок, а также его можно размалывать в мельницах и получать каменную муку – наполнитель асфальтового вяжущего и некоторых полимерных материалов (например, линолеума). Известняковую муку (которую неверно называют «известь») применяют в качестве удобрения (известкования кислых почв).

Материалы, полученные по технологии взрыва, дробления, рассева, называют грубообработанными.

Следующие два технологических приема – раскалывание (левая часть схемы) и распиливание (нижняя часть схемы) – позволяют получить так называемые штучные изделия (штучные камни). Называют их так потому, что каждый камень в отдельности (поштучно) подвергают дополнительной обработке.

Раскалывают и распиливают обычно крупные блоки (параллелепипеды) отделенные от карьерного монолита также откалыванием или направленным взрывом. Для пород небольшой твердости блоки можно также отпилить от монолита непосредственно на карьере камнерезной машиной Столярова.

При раскалывании и при распиливании крупных блоков получают облицовочные плиты (рис 3.1), а также стеновые камни (стеновые блоки) – рис 3.2.  Стеновые блоки – это по существу большие кирпичи (размером, например, 390 х 190 х 188 мм). Колотые плиты и камни можно еще обтесывать для придания более ровной поверхности. Соответствующие изделия называют тесаными.

Рис.3. Штучные камни: 1 – плиты а) тесаные, б) пиленые; 2 – стеновые камни а) колотые, б) тесаные, в) пиленые.

Стеновые камни получают из более пористых пород (имеющих меньшую теплопроводность) – туфы, известняки-ракушечники и др. Облицовочные плиты из пород с красивой структурой (декоративных), но одновременно достаточно прочных и атмосферостойких. Тесаные плиты, конечно, толще пиленых. Распиловка – более прогрессивная и экономичная, менее трудоемкая технология, чем раскалывание и обтесывание.

Для придания большей декоративности облицовочным плитам их поверхность подвергают фактурной обработке. Фактура – это характер поверхности камня, приданный обработкой. (рис.4)

Рис.4. Фактуры камня: 1- скала, 2- рифленая, 3- бороздчатая, 4- бугристая, 5- точечная, 6- грубошлифованная.

Для пиленых изделий применяют абразивную обработку – шлифование и полирование. При этом получают фактуры шлифованные (с рельефом поверхности не более 0,5 мм, с невыявленным рисунком камня), зеркальные или глянцевые – после полировки шлифованных изделий мягким материалом. Промежуточная фактура (между шлифованной и зеркальной) называется лощеной – с матовой поверхностью и уже выявленным рисунком камня. Фактура камня после отпиливания называется пиленой – на камне видны следы пилы.

Для колотых и тесаных облицовочных плит чаще используют так называемые ударные фактуры (приведены все на рис.4), в которых рельеф на поверхности камня создается пневматическим инструментом (бучардами) или на специальных станках. Для тесаных камней можно также создать и грубошлифованную фактуру. Фактура скалы имеет большие неровности на поверхности камня (обычно это естественный скол). К фактуре скалы близка и бугристая фактура, где неровности скола несколько «поправлены» – им придана некоторая упорядоченность по высоте рельефа. Бороздчатые и рифленые фактуры понятны из рисунка. Точечная фактура отличается от шлифованной большей высотой рельефа – до 2 мм.

Плиты и стеновые блоки имеют в любом сечении, параллельном граням, прямоугольник. Штучные изделия, которые называют профильными, имеют более сложную форму. Они также могут быть колотыми, тесаными, пилеными. Примеры штучных профильных изделий из камня приведены на рис. 5.

Рис 5. Штучные профильные изделия из природного камня: 1) бортовые камни а) прямой, б) лекальный, в) для съездов; 2) дорожные камни а) брусчатка, б) шашка для мощения.

Бортовые камни, называемые также бордюрными, отделяют мостовую от тротуара. Наряду с прямыми бортовыми камнями (длиной от 70 до 200 см) могут быть камни лекальные – на поворотах – и для съездов – наклонных частей улицы или дороги. На рисунке видно, что верхняя часть бортовых камней, выступающая над дорожным покрытием, обтесана чисто, нижняя, подземная часть – грубо обработана.

Брусчатка – дорожный каменный материал в виде брусков, имеющих форму усеченной пирамиды (суживаются книзу) с параллельными верхним и нижним основаниями.

Разновидностью брусчатки является шашка для мощения, имеющая также форму усеченной пирамиды, с примерно одинаковой длиной и шириной.

Дорожные камни относятся к тесаным. Их изготовляют из прочных и стойких к истиранию горных пород – базальта, диабаза, кварцита.

Перечисленными камнями не исчерпывается ассортимент штучных профильных изделий из природного камня. По специальному заказу могут быть изготовлены, например, все элементы каменной лестницы: ступени, проступи, перила, балясины, вплоть до каменных шаров. Понятно, что изделия из природного камня значительно дороже бетонных или керамических.

4. Технология производства щебня для бетона (из этого варианта лекции вопрос удален)5. Строительно-технические характеристики  природных каменных материалов.

Правильный выбор природных каменных материалов для конкретных строительных работ предусматривает их разделение на марки по различным показателям. По прочности различают природные камни марок 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000 (цифры показывают прочность соответствующей породы на сжатие в кгс/см2).

По морозостойкости марки природных каменных материалов  F 10, 15, 25, 35, 50, 100, 200, 300 и 500. По средней плотности различают породы тяжелые – ρо > 1800 кг/м3, средние 1800... 1500 кг/м3 и легкие – со средней плотностью менее 1500 кг/м3.Породы маркируют также по водостойкости 0,6, 0,75, 0,9 и 1, где цифры показывают величину коэффициента размягчения (водостойкости).

Материалы для полов и дорожного строительства делят на марки по истираемости и износостойкости. Например, щебень различают по истираемости (износостойкости) при испытаниях в полочном барабане следующих марок И1, И2, И3, И4.

С учетом указанных марок выбирают каменный материал для определенного вида строительства.  Например, в качестве стеновых материалов подходят только те камни, которые имеют марку по морозостойкости не менее 15, коэффициенту водостойкости – не менее 0,6, по прочности от 25 до 150 в зависимости от вида здания. Аналогичным образом ГОСТами и СНиПами предусмотрены определенные марки каменных природных материалов для наружной отделки зданий, дорожного строительства, специального назначения (кислотостойких, огнеупорных и др.).

Выбирая материалы в соответствии с требованиями стандартов, грамотный строитель имеет в виду также зависимость свойств камня от состава и структуры пород.

6. Зависимость свойств природного камня от состава и структуры горной породы

По составу породы могут быть мономинеральными и полиминеральными. Качественные характеристики мономинеральных пород и соответственно строительных материалов из них, в основном, определяются свойствами их породообразующего минерала: формой и размером его частиц, дефектами структуры, типом химической связи между частицами, макро - и микропористостью и т. п.

Изделиям из кварцита (облицовочные плиты, ступени, дорожные камни и др.), например, в значительной мере передаются свойства их породообразующего компонента кварца: высокая твердость, значительная плотность большая механическая прочность,

малая деформативность, высокая стойкость к истиранию др.

Аналогичным образом на физико-механических свойствах материалов и изделий из известняков отражаются характерные особенности породообразующего минерала кальцита: сравнительно легкая растворимость в воде (вследствие гидролиза), низкая твердость, слоистость, пониженная прочность.

Для материалов и изделий из полиминеральных пород технические характеристики зависят от соотношения минералов с разными свойствами. Например, в ряду изверженных пород: гранит-сиенит-диорит-габбро увеличивается плотность и прочность в связи с увеличением содержания железомагнезиальных силикатов. Это пример влияния состава на свойства изверженных пород и соответственно изделий из них.

Многие осадочные породы также являются полиминеральными агрегатами, часто состоящими из неодинаковых по размеру обломков минералов и горных пород. Свойства этих сложных пород (брекчий, конгломератов, песчаников) обусловливаются как свойствами самих обломков, так и особенно свойствами природного вяжущего вещества, выполняющего роль матрицы. Например, песчаники представляют собой частицы песка, склеенные природным вяжущим. Если в роли вяжущего выступает глина или битум, песчаники не обладают особой прочностью. (Глинистые песчаники коричневые, битуминозные – черные.) Весьма прочными являются кремнистые песчаники – серые или светло-желтые, в которых в качестве вяжущего выступает аморфный кремнезем SiO2 (по существу опал или халцедон). Известняковые песчаники, связанные кальцитом, имеют среднюю величину прочности.

На прочность и другие качественные показатели горных пород (в особенности, на теплопроводность) существенное влияние оказывает пористость. В породах она может быть крупной (ракушечники), средней или мелкой (туфы), тонкой, заметной только под микроскопом (диатомиты). То, что камень микропористый, можно определить по величине средней плотности (пористые камни – легкие).

Если крупная пористость снижает прочность камня и изделий из него, но может иметь декоративное значение, то мелкая и закрытая пористость свидетельствует о пригодности камня для теплоизоляционных изделий. Породы с такой пористостью используют для производства стеновых камней, для теплоизоляции промышленных печей и в других подобных целях.

Зависимость свойств изделий от пористости – пример влияния структуры на свойства материалов (необязательно каменных).

7. Защита природного камня от коррозии

Коррозией называют самопроизвольное нежелательное разрушение материала или конструкции под действием факторов окружающей среды.

Одна из главных причин разрушения природного камня на открытом воздухе - замерзание воды в порах его. При многократном повторении процессов замораживания-оттаивания «раскачивается» структура, появляются трещины, камень может шелушиться, крошиться с поверхности. Вода сама по себе (независимо от мороза) вызывает коррозию камня вследствие поверхностного гидролиза (частичного растворения), снижения поверхностного натяжения материала. В пленке влаги, всегда покрывающей камень, могут растворяться агрессивные газы, реагирующие с минералами камня, тогда происходит химическая коррозия. Например, в городах с интенсивным автомобильным движением практически невозможно применять белый мрамор в облицовках – он темнеет от взаимодействия с выхлопными газами автомобилей.

Меры защиты от коррозии можно разделить на конструктивные и физико-химические. Конструктивно камень можно защитить, если обеспечен отвод воды с поверхности, например, отсутствую горизонтальные участки, где может задерживаться вода. Лучший метод конструктивной защиты – применение камня зеркальной фактуры. Полированная поверхность не задерживает воду и не пропускает ее внутрь камня.

Химический метод защиты, так называемое флюатирование камня заключается в том, что поверхность камня пропитывается растворами веществ, которые вступают в реакцию с поверхностью камня, продукты реакции  осаждаются в порах камня, кольматируют (забивают) их образовавшимся осадком. Например, известняк пропитывают раствором кремнефторида магния. Происходит реакция

2СаСО3 + MgSiF6 = 2CaF2↓ + MgF2↓ + SiO2↓ + 2CO2↑,

в которой три из четырех продуктов (веществ в правой части) выпадают в осадок в порах камня.

К физико-химическим методам защиты относится пропитка камня с поверхности гидрофобизующими (водоотталкивающими) составами, которые придают поверхности, в том числе стенкам пор несмачиваемость водой. Вода не задерживается на поверхности такого камня и не проникает внутрь пор.

Наилучшую защиту от химической коррозии дает покрытие камня с поверхности полимером (пропитка раствором полимерной смолы). При этом поверхность не только перестает удерживать воду, но и не вступает в реакции с агрессивными агентами окружающей среды.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3725. Формы международного перемещения капитала 55 KB
  Назовите основные формы международного перемещения капитала. Что такое прямые инвестиции, портфельные инвестиции. Международное движение капитала - это помещение и функционирование капитала за рубежом, прежде всего с целью его самовозрастания. Вклад...
3726. Системный кризис в СССР ( 70-е -первая половина 80-х гг.) 35.5 KB
  Системный кризис в СССР ( 70-е -первая половина 80-х гг.) Уже в 70-е годы поиски теоретической мысли были направлены на оправдание просчетов в коммунистическом строительстве. Если поначалу появлялись робкие упреки в адрес авторов Программы коммунист...
3727. Эволюция представлений о строении атома. Есть ли предел системе элементов Менделеева. 375.5 KB
  Возникновение атомистики Вопрос о строении окружающего мира всегда волновал человека. Начало современной науке о строении вещества было положено в античном мире, работами древнегреческих ученых разных школ – ионийской, элеатской, пифагорейской....
3728. Эволюция вселенной 79 KB
  Введение Мир, Земля, Космос, Вселенная… Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир. Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами з...
3729. Управление обслуживание судов в порту 385.5 KB
  Введение В мировой практике торгового мореплавания под стивидорным сервисом (стивидорным обслуживанием) подразумевают комплекс услуг, представляемых судам в период пребывания их в порту. При этом понятие «обслуживание» используется в широком смысле ...
3730. Штукатурные работы и материалы для штукатурки 93.5 KB
  Введение Общее назначение штукатурок – заполнение стыков, швов на поверхности основания, обеспечение защитного или декоративного защитного покрытия на нем. Штукатурки могут применяться в порядке исключения при отделке помещения в местах, где пр...
3731. Основы экологии 191.5 KB
  Основы экологии Что такое экология? Наука об условиях жизни организмов и их взаимных связях со средой. Экология - это наука об организмах , наука о взаимоотношениях между живыми организмами и их сообществами, с окружающей их живой и неживой средой о...
3732. Основные закономерности развития человеческого сознания и интеграция знаний 48 KB
  Человек владеет прекрасным даром - разумом с его пытливым полётом, как в отдаленное прошлое, так и в грядущее, миром мечты и фантазии, творческим решением практических и теоретических проблем, наконец, воплощением самых дерзновенных замысл...
3733. Состав и свойства целофана 75.5 KB
  Введение Целлофан - это прозрачная гидратцеллюлозная (вискозная) пленка, полученная из вискозы. Целлофан является наиболее дешевым и распространенным упаковочным пленочным материалом, производится во всем мире в очень больших количествах. Лакированн...