Строение и свойства камней

Тема 3 Материалы из природного камня

Материалы из природного камня получают путем добычи и обработки горных пород. Горные породы также являются сырьем для производства строительных материалов (керамики, стекла, металла, теплоизоляционных, гидроизоляционных и др.), их используют в качестве заполнителей для бетонов и растворов.. Россия по запасам и разнообразию горных пород не имеет себе равных. Изыскания, проведенные в больших масштабах, дают полное представление о запасах и географическом размещении минерального сырья.

Горная порода – природная минеральная масса более или менее постоянного состава и строения, состоящая из одного минерала (мономинеральная) или нескольких (полиминеральная) минералов.

Наука, изучающая горные породы — петрография (гр. петрос – камень, графо – описываю).

Минералы – природные химические соединения, самостоятельные элементы, самородные вещества, возникшие в результате физико-химических процессов, протекающих в естественных условиях на земле, гидросфере и атмосфере, преимущественно твердые, однородные по своим физико-химическим свойствам.

Свойства камней и самоцветов (Иссет Котельникова)

Всего минералов в природе более 7000, в большинстве случаев минералы — твердые тела, иногда жидкие и газообразные. В образовании горных пород участвуют лишь около 50, из них 30-35 встречаются наиболее часто, входя в состав главнейших горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

В основу классификации минералов положен их химический состав и кристаллохимическое строение.

Каждый минерал характеризуется строго определенным химическим составом и рядом физических свойств: плотность, кристаллическое строение, твердость, цвет, цвет черты, характер излома, спайность и др.

Классификация и свойства минералов

1.1 Классификация минералов

Источник: studfile.net

Виды и свойства природных каменных материалов

Классификация природных каменных материалов

Природные каменные материалы и изделия получают путем механической обработки горных пород, т.е. дробления, раскалывания, распиловки, отески, шлифовки (щебень, плиты и т.д.). Сырьем для получения природных каменных материалов служат горные породы, физико-механические и химические свойства которых в основном не изменяются в процессе механической обработки и, следовательно, определяют свойства соответствующих материалов.

Природные каменные материалы очень прочны, долговечны, огнестойки, обладают прекрасными декоративными свойствами. В наше время при­родные плотные каменные материалы, как правило, уже не используются для возведения стен, арок, куполов, колонн и других несущих и ограждающих конст­рукций, т.к. эти материалы трудоемки в обработке, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но из-за положительных эксплуатационных и эстетических качеств продолжают широко применяться для облицовочных работ, устройства полов, дорожных покрытий и пр. Пористые природные материалы применяются в конструкци­ях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков. Грубообработанные каменные материалы и соответствующие горные породы широко используются в качестве заполнителей для бето­нов, изготовления других искусственных каменных изделий на минеральных и органических вяжущих.

По виду и степени обработки различают грубообработанные материалы (бутовый камень, щебень, гравий, песок) и профилированные изделия (изделия и профилированные детали из природного камня; штучный камень и блоки правильной формы; плиты для наружной и внутренней облицовки зданий, полов; изделия для дорожного строительства и т.п.).

По способу изготовления природные каменные ма­териалы и изделия можно разделить: на пиленые, полученные абразивной обработкой (стеновые камни и блоки, облицовочные плиты и плиты для пола), и колотые, полученные ударной обработкой (бор­товые камни, камни тесаные, брусчатка, шашка для мощения и др.).

Используя ударную и абразивную обработку, природному камню придают ту или иную фактуру — различный характер по­верхности.

Ударная обработка заключается в обкалывании поверхности камня с помощью камнетесного инструмента со сменными нако­нечниками: для тески пользуются широким долотом-скарпелью; скалывание неровностей производят спицей — остроконечным долотом; для чистой обработки лицевой поверхности применяют бучарду со средней или мелкой насечкой.

Абразивная обработка включает распиливание, фрезерование, шлифовку и полировку.

Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых пород производят камнерезными машинами. Режущими элемен­тами машин являются дисковые пилы.

Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков, карнизов и т.п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют камнефрезерные и универсальные профилирующие машины.

Шлифовку и полировку производят на шлифовально-полировальных станках с вращающимися дисками, которые перемещают по поверхности изделия. Шлифуют с применением зернового аб­разива: корунда, карбокорунда или мелких пылевидных алмазов. После шлифовки камень имеет гладкую матовую поверхность. Полировка осуществляется войлочными полировальными дисками с использованием мастик и тонких полирующих порош­ков из оксидов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотно­кислого олова. После полировки поверхность плотного камня становится зеркально гладкой.

Абразивная обработка дает фактуры: пиленую — с тонкими штрихами и бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную — рав­номерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,05 мм; лощеную — гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня; зеркальную — гладкую с зеркальным блеском.

Природные каменные материалы классифицируются также по физико-техническим и эксплуатационным свойствам.

По плотности природные камни делятся на лег­кие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1,8 г/см 3 имеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов. Тяжелые камни плотностью более 1,8 г/см 3 (из гранита, сиени­та, диорита и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит пола, материалов и изделий для гидротехнического и до­рожного строительства.

По пределу прочности при сжатии образцов в воз­душно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки (МПа): 0,4; 0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки с 0,4 до 20 свойственны легким камням различ­ной пористости.

По морозостойкости природные каменные материалы разделяют на марки: F 10; F 15; F 35; F 100; F 150; F 200; F 300 и F 500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномерно-зернистой структурой. Свежедобытые известняки, доломиты, песчаники, туфы легко разрушаются от мороза вследствие того, что их поры за­полнены «горной влагой» и коэффициент насыщения пор водой близок к 1. После естественной просушки они оказываются дос­таточно морозостойкими и более прочными.

По водостойкости природные камни делятся на группы с коэффициентом размягчения не ниже 0,6 для наружных стен зданий; не ниже 0,8 – для гидротехнических сооружений и фундаментов.

В зависимости от назначения и условий применения природ­ные каменные материалы оценивают также по твердости, истираемости и износу, огнестойкости, стойко­сти к химическому воздействию внешней среды и т.п.

Грубообработанные каменные изделия.

Бутовый камень (бут) – куски камня неправильной формы, размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый. Бутовый камень получают разработкой местных осадочных и изверженных пород, отвечающих проектным требованиям в от­ношении прочности, морозостойкости, водостойкости. Бут из осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников) не дол­жен содержать крупных включений глины, рыхлых прослоек и включений пирита.

Из бута возводят плотины и другие гидротехнические соору­жения, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень.

Щебень – остроугольные куски камня размером 5-70 мм (для гидротехническо­го строительства до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня и крупного гравия (валунного камня). Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий. Встречается и природный щебень, называемый дресвой.

Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород.

Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) с размерами 0,14-5 мм. Применяют природные и искусственные (дробленые) пески.

Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов. Предприятия-поставщики на эти материалы должны выда­вать сертификат радиационно-гигиенической оценки о содержании естественных радионуклидов.

Стеновые изделия.

Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков пу­тем выпиливания механизированным способом из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок.

Основные размеры стеновых камней: 390´190´188; 490´240´188; 390´190´288 мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8-12 кир­пичей. Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м 3 . Водопоглощение камня должно быть не более 30 %, морозо­стойкость – не менее F 15. Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки.

Камни и плиты для облицовки.

Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий приме­няют камни и плиты из гранита и других изверженных пород, которым свойственны высокая морозостойкость, прочность и твердость. Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчани­ков, туфов), которые легче поддаются обработке и экономичнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зда­ний и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора, ангидрида, гипса.

Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщи­ной 30 см и более). Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4-8 см, для внутренней – 1,2-4 см. Применение алмазных резцов позволяет изготовлять тонкие (5-10 мм) экономичные плиты, стоимость ко­торых в 2-4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты ши­роко применяются, особенно для внутренней облицовки.

Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и действия высоких температур.

Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и других выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им придается такая форма, чтобы на них не задерживалась вода от дождя и тающего снега.

Плиты для полов и ступеней внутренних лестниц должны иметь высокие износостойкость и декоративные свойст­ва, соответствующие архитектуре интерьера.

Камни для гидротехнических сооружений.

Природные каменные материалы применяют в больших коли­чествах для гидротехнических сооружений. В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприят­ны: камень испытывает многократное замораживание и оттаива­ние в насыщенном водой состоянии. Защитную облицовку в этой зоне устраивают из плотных изверженных пород, имеющих водопоглощение не более 1 %, марку по прочности – не ниже 80-100 МПа и по морозостойкости – F 150-F 500 в зависимости от класса сооружения, климатических и других условий эксплуатации. Со­ответствующим требованиям должны удовлетворять и материалы для каменных набросных плотин. Внутренние части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных пород марок 30-60 МПа с коэффициентом размягчения не менее 0,7-0,8.

Дорожные каменные материалы.

Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тро­туара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойко­стью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекаль­ные, высокие — до 40 см и низкие — до 30 см. Эти камни применяют вместо бетонных при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка су­живающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным способом из однородных мелко- и среднезернистых пород (диа­база и др.). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мо­щения (в виде усеченной пирамиды).

Тротуарные плиты изготовляют из гнейсов и подобных им слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20-80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см.

Каменные кислотоупорные изделия.

Некоторые магматические и метаморфические (кварциты) горные породы используют для футеровки разнообразных уста­новок и аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытывающих влияние вы­соких и резко меняющихся температур и давлений. Кислотоупор­ные породы идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, бру­сков и фасонных изделий, а в дробленом и размолотом виде служат в качестве заполнителей и наполнителей в кислотоупор­ном бетоне, являются составными частями кислотоупорных це­ментов.

В соответствии с назначением применяемые горные породы должны удовлетворять определенным требованиям, а именно: быть кислотоупорными, т.е. хорошо сопротивляться воздействию различных кислот и других реагентов – это свойство оценивается по растворимости порошка породы в концентрированных кисло­тах (соляной, серной) при нагревании; иметь высокую огнеупор­ность; обладать достаточным сопротивлением сжатию и изгибу, а также вязкостью; выдерживать резкие колебания температур.

Из изверженных горных пород кислотоупорными являются главным образом кислые мелкокристаллические, к которым от­носятся бештаунит, андезит, гранит и некоторые туфы, а из метаморфических — кварцит.

Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обра­ботки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы. Полноценным заменителем камня служит значительно более дешевый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает также искусственный литой камень (базаль­товый, диабазовый).

Источник: studopedia.ru

Камни – образование, виды и что их разрушает

Камни встречаются на нашей планете повсеместно. Они сильно отличаются друг от друга не только размерами и формой, но и свойствами – цветом, прочностью, твердостью.

Что такое камни? Происхождение камней

Камни – это твердые тела, относящиеся к неживой породе. Чаще всего камни образуются из других камней. Например, если сбросить камень с большой высоты, то он разобьется на много камней поменьше.

Но есть и иной способ их формирования. При извержениях вулканов из глубин Земли на поверхность выбрасывается лава – раскаленное до огромной температуры вещество. При его остывании как раз и образуются камни.

Типы камней

Все камни можно разбить на три большие группы. В первую группу входят драгоценные камни. Они применяются при изготовлении украшений. Это алмаз, сапфир, рубин. Такие камни красивы и редко встречаются в природе.

Важно отметить, что драгоценные камни могут использоваться и в промышленности. Например, алмаз применяют как режущий материал, ведь он является самым твердым веществом в природе.

Вторая группа – это полудрагоценные камни. Они значительно дешевле драгоценных, но также используются при изготовлении предметов роскоши. К ним относят хрустать и кварц. Из хрусталя делают люстры, посуду и другие предметы интерьера.

Самые распространенные камни включают в третью группу – поделочные камни. Они используются в быту, прежде всего в строительстве. Примерами таких камней являются гранит и мрамор.

Разрушение камней

Камни кажутся очень прочными и твердыми телами. Однако даже они постепенно разрушаются. Проще всего раздробить камень, сильно ударив по нему или сбросив его с высоты. Но в природе есть ещё несколько причин, вызывающих разрушение камней.

В первую очередь это колебания температуры. Известно, что многие вещества, в том числе и камни, при нагреве увеличиваются, а при охлаждении сжимаются. При этом камни на солнце прогреваются неравномерно – солнечная сторона сильнее. В результате одна часть камня расширяется и пытается расширить другую часть камня, которая не нагрета.

Этот процесс может привести к образованию очень маленьких трещин – микротрещин. Если камень очень много раз охладился и нагрелся, то трещины сильно вырастают и постепенно разрушают камень.

Если камень находится вблизи воды (на берегу реки или моря), и постоянно обкатывается волнами, то он будет менять форму. Многие замечали, что камни на пляжах гладкие и ровные. Это следствие воздействия воды – она разрушает камень, причем различные выступы разрушаются быстрее. Можно сказать, что вода буквально полирует камень.

Иногда вода и температура действуют заодно. Если вода попала в трещину на камне, то при низкой температуре она превратится в лед. Известно, что при замерзании вода расширяется, то есть лед начнет давить на стенки трещины и будет расширять ее.

Разрушает камни и ветер. Он действует почти также как вода, однако, так как воздух значительно легче воды, то и процесс разрушения более длительный. Если в воздухе много частиц пыли, то он быстрее разрушает камень.

Отличие камней от металлов

Не всякий твердый объект в природе – это камень. Встречаются ещё и металлы. Например, из камня делают мостовую (это вид покрытия городских улиц), а из металлов – люки канализации. Но чем металлы и камни отличаются?

Оказывается, металл можно расплавить (для этого его надо сильно нагреть) и залить в какую-нибудь форму. После остывания мы получим новый металлический объект, причем свойства материала сохранятся. Подобный процесс называется литьем и используется в промышленности для изготовления деталей. А вот камни отливать нельзя.

Некоторые камни просто сгорают при нагреве, а другие – слишком сильно меняют свойства. У металлов есть много других отличительных свойств, которые изучаются уже на уроках физики и химии.

Подведение итогов

Камни делятся на драгоценные, полудрагоценные и поделочные. Разрушаются камни от воздействия температуры, воды и воздуха.

Источник: natworld.info

Интересные сведения о природных камнях

На первоначальном этапе своего формирования наша планета состояла из каменных пород, воды, огня, а формировалась среди рёва вулканов, сверкающих молний и постоянных столкновений друг с другом литосферных плит. Горы, наползая друг на друга, разрушали, крошили и нещадно калечили друг друга, в результате чего малые и большие камни откалывались от молодых скал и катились вниз, разрушая всё на своём пути.

Со временем планета начала потихоньку успокаиваться, но процесс дробления горных пород до сих пор не завершился: земля периодически содрогается, круша скалы и перемалывая их на малые и большие камни.

Каменные подарки Земли

Натуральными камнями называют появившиеся в результате дробления твёрдые куски горных пород. По своей структуре, фактуре и составу они сильно отличаются друг от друга, а потому их видов чрезвычайно много: это и мрамор, и гранит, и известняк, а также сланцы, ракушечник, базальт.

Одни из них были образованы на суше, другие – под воздействием пресной или морской воды. Например, некоторые глыбы были сформированы благодаря моллюскам, которые умирая, опускались на дно, устилая его раковинами и панцирями. Со временем слой становился толще, плотнее и через какое-то время разрушался, не выдерживая собственного веса, вследствие чего частицы раковин перемешивались и образовывали глыбы.

Характеристика драгоценных камней 8159 4.44 7

Натуральные камни, являют собой остатки:

• Разрушенных осадочных пород (75%), которые были сформированы в результате различных эрозийных процессов, прежде всего – выветривания и разрушения горных пород, механического или физического выпадения из воды осадка, жизнедеятельности организмов. Среди наиболее известных названий камней – известняк (природный камень белого цвета, состоящий из карбоната кальция), песчаник (состоит из частиц кварца) и мрамор – природный камень, который появился при преобразовании известняка и доломита;
• Метаморфических пород (около 20%) – магматические и осадочные породы, что были образованы внутри планеты и изменились под влиянием различных физико-химических процессов, прежде всего, давления водных и газовых растворов и высокой температуры. Самый известный натуральный камень этого вида является кварцит, состоящий из слюды и кварца;
• Магматических пород, что были выброшены вулканами наружу из недр Земли. Самым известным видом является гранит – одна из наиболее твёрдых, прочных и плотных пород. Цвет этого камня чрезвычайно разнообразен: серый, красный, коричневый, зелёный.

Процесс добывания

Добывают природный камень повсюду и на всех материках. Обычно транспортировка обходится недешево (на стоимость оказывает влияние не только качество породы, но и метод добычи и затрат на перевозку: добывая камни Земли очень важно сохранить вид горной породы).

Поскольку натуральные камни обладают разной прочностью и твёрдостью, для их добычи используют разные методы и оборудование.

Для этого месторождение вскрывают, создавая вертикальную шахту, ведущую внутрь карьера. Многие страны используют буровзрывной способ и метод воздушной подушки: при помощи буров делают отверстие, закладывают заряд или закачивают воздух.

В результате порода распадается на куски (хоть эти способы дешёвые, ценные свойства породы теряются, потому как она сильно дробится, что ведёт к значительным потерям сырья). Более дорогим, хоть и эффективным методом является камнерезный: он позволяет добывать природный камень без особых потерь.

Размеры

Натуральные камни бывают разных размеров: самый большой камень – это скала (образуется после того, как разрушается гора, имеющая большое число трещин), за ним идут глыбы, блоки, монолиты и более мелкие камешки. Те, которые используют в строительстве, могут иметь как малые размеры, так и являться настоящими гигантами: большой камень нередко имеет размеры, превышающие 10 кубических метров (эти монолиты особенно ценны из-за сложности добычи и транспортировки). Большие камни, которые не имеют трещин, делят на:

• Блоки – большие камни прямоугольной формы, размер которых превышает десять кубометров, их используют при закладывании фундаментов, циклопической кладки, в монументальных памятниках;
• Монументальный – от 5 до 10 м3, из него изготавливают памятники, скульптуры, перекрытия;
• Уникальный – размер 2х1х1,5 м, из него создают памятники, скульптуры, колонны;
• Штучный – размер превышает 1 м3, изготавливают квадрыги, скульптуры, вазы, чаши, а также блоки, булыжники, бордюрный натуральный камень.

На этом классификация по размерам не заканчивается, например, высота валунов составляет от 20 см до 10 м, щебень имеет от 5 до 15 см, галька – от 1 до 10 см, а самыми маленькими считаются тонкие пластины (их используют для облицовки, в мозаиках и витражах) – от 1 до 10 мм.

Твёрдость породы

Ещё одной важной характеристикой каменных природных материалов являются такие свойства, как их прочность и долговечность, то есть способность сохранять свои качества вне зависимости от внешнего воздействия. По этому показателю натуральные камни делят на:

• Высокодолговечные – начинают разрушаться через шестьсот лет, к ним относят кварциты и мелкозернистые граниты;
• Долговечные – начинают крошиться через два столетия (крупнозернистые граниты);
• Относительно долговечные – разрушение начинается через сто лет (белый мрамор, плотный известняк, доломиты);
• Недолговечные – рассыпаться начинают уже через четверть века (цветной мрамор, пористый известняк, гипс).

Давая характеристику породе, учитывают также её структуру: размеры и форму минеральных зерен, степень кристаллизации, зернистость (насколько равномерно распределены минеральные зёрна и есть ли пустоты). Например, дабы узнать, какой камень долговечнее, достаточно посмотреть на его составные: мелкозернистая структура прочнее породы с крупными зёрнами или неравномерной структурой.

Большой камень, зернистая структура которого неравномерна, плохо устойчив к влияниям окружающей среды: различной величины зёрна минералов при смене температурного режима расширяются по-разному, из-за чего большие камни трескаются, а если в трещины попадает вода, натуральные камни продолжают разрушаться.

Облицовочные материалы

Если в прежние времена большой камень нередко использовали для возведения грандиозных, долговечных сооружений (например, пирамид), то в настоящее время им больше пользуются как облицовочным материалом, украшая дворцы, храмы, усадьбы, обыкновенные дома: природный камень износостойкий, устойчив к морозам и практически не впитывает воду.

Естественно, такой природный камень должен хорошо подаваться обработке, принимая нужную форму, а также должен быть красив (по этой причине для облицовки подходит далеко не каждый вид).

Священный город инков Мачу Пикчу 8159 4.2 0

В этом случае немаловажную роль играют такие свойства камней, как рисунок, фактура и цвет камня. Стоит заметить, что каждый кусок имеет уникальный рисунок, а потому в природе вряд ли найдётся две одинаковых глыбы. Произошло это потому, что они являют собой разные сочетания и смеси различных по составу кристаллических минеральных зёрен, вплоть до вкраплений органических и неорганических остатков.

Дабы добиться нужного вида, облицовочные материалы поддаются обработке (способ обработки зависит от зернистости и цвета). Облицовочный камень являет собой дорогой материал из-за того, что в процессе добычи должны сохраняться все его свойства, следовательно, затраты как на добычу, так и на обработку, немалые (и это несмотря на то, что залегает облицовочный натуральный камень неглубоко).

Добывают его аккуратно, блоками, делая всё возможное, дабы не появились трещины. При добыче используют наиболее дорогостоящий метод: породу режут камнерезными машинами или, если она очень легко разрушается, используют термоструйный метод, вырезая из массива с помощью терморезаков блоки, после чего им предают нужную форму.

Источник: awesomeworld.ru