Природные каменные материалы

1. Лекция 4. Природные каменные материалы 4.1. 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.
1

2. 4.2. 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. 4.1.
2

3. 4.3. 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 Al 2O3 2SiO2 2 H 2O - составляют основную
массу глин, самый распространенный из которых каолинит . Белые каолинитовые глины используют при
производстве тонкой керамики - фарфор, фаянс.
Кальцит (известковый шпат CaCO 3 ) – один из наиболее распространенных минералов в земной коре.
Кальцит основной породообразующий минерал таких пород, как мел, известняк, известковый туф, входит в
состав мрамора.
Магнезит MgCO - близок по свойствам к кальциту, но встречается значительно реже.
3
Доломит
CaCO 3 MgCO3 - по свойствам близок к кальциту, но встречается значительно реже.
Гипс CaSO 4 H 2O - мягкий минерал, кристаллизуется в виде зернистых (алебастр) и волокнистых масс
(селенит).
Ангидрит CaSO 4 - безводная разновидность гипса.
3

4. 4.4. Важнейшие изверженные породы

Глубинные породы.
Граниты – наиболее распространенные из всех 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
1
1
кг
Rр
Rсж ,
Строительные свойства гранита: 2600 2700 3 , Rсж 100 300 МПа ,
40 60
м
морозостойкость > 200 циклов.
Габбро – глубинная горная порода, структура кристаллическая, крупнозернистая (рис. 4.2.),
2900 3300
кг
Rсж 200 250 МПа
м3
а.
б.
Рис. 4.2. а. – габбро, структура кристаллическая, крупнозернистая; б – применение габбро
4

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

кг
Rсж 150 300 МПа
Диориты - , 2880 3000 м 3
. 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
5

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

Диабазы (аналоги габбро) – плотные кристаллические породы с зернами
различной крупности (рис. 4.5.).
и малой истираемостью
Rсж до 450 МПа
, обладают
большой ударной вязкостью
.
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, 2900 3000 кг , R 500 МПа .
сж
м3
Однако, при наличии трещин и пор значительно понижается, доходя до Rсж 100 МПа. 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
6

7. Излившиеся пористые породы: вулканические пеплы и пески - порошкообразные частицы вулканической лавы, выброшенные в раздробленном состоя

Излившиеся пористые породы: вулканические пеплы и пески - порошкообразные
частицы вулканической лавы, выброшенные в раздробленном состоянии. При
1 мм
5 мм
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
,
.
0,14 0,23
R сж 2,4 МПа
Вт
м 0 С
а.
500 600
кг
м3
б.
Рис. 4.8. а - пемза; б – пористая структура пемзы
7

8. 4.5. 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. 4.9.). В
зависимости от цементирующего вещества песчаники бывают: известняковыми,
кремнистыми, глинистыми. 2300 2500 кг
.
Наиболее прочные и износостойкие
3
кремнистые песчаники.
м
а.
б.
Рис. 4.9. а – кремнистый песчаник; б – отделочные материалы из песчаника
8

9. Конгломераты – сцементированные округлые, гладкие зерна гравия; брекчии – сцементированные природным цементом остроугольные зерна прир

Конгломераты – сцементированные округлые, гладкие зерна гравия; брекчии –
сцементированные 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).
кг
Гипс CaSO 4 2H 2 O – горная порода белого цвета. 2000 2300 3 , Rсж 30 МПа (рис.
м
4.11.).
а.
Рис. 4.11. а- природный гипс; б – изделия из гипса
б.
9

10. Ангидрит - безводный гипс (рис. 4.12).

Ангидрит CaSO 4 - безводный гипс (рис. 4.12).
а.
б.
Рис. 4.12. а – природный ангидрит; б – применение ангидрита
Известковые туфы – образовались в результате осаждения СаСО 3 из источников подземных углекислых
вод. Обладают малой прочностью и хорошо поддаются распиловке (кроме травертина – плотное
мелкозернистое строение с
Rсж 80 МПа ) (рис. 4.13).
МgСО3
а.
б.
Рис. 4.13. а – известковый туф; б – применение; в – разработки травертина в карьере
Магнезит – кристаллическая порода, состоящая, в основном, из магнезита
МgСО
в.
3
(рис. 4.14).
а.
б.
в.
Рис. 4.14. а – магнезит; б. – разработка магнезита открытым способом; в – применение (теплоизоляционные 10
плиты).

11. Доломит – состоит, в основном, из минерала доломита с примесью глины и др. По свойствам близки к плотным известнякам (рис. 4.15.), , .

Доломит – состоит, в основном, из минерала доломита СаСО 3 МgСО 3 с примесью глины и др. По свойствам
близки
к
плотным
известнякам
(рис.
4.15.),
2200 2800
кг , Rсж 150 200 МПа.
м3
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: СаСО . По структуре подразделяют:
3
плотные, Пористые , мраморовидные, ракушечники, оолитовые, землистые (мел). Плотные известняки:
кг ; R 100 МПа
кг , R 0,4 20 МПа .
,
пористые
2000 2600
м3
900 2000
сж
сж
м3
Мраморовидные известняки – переходные породы от известняков к мраморам:
, Rсж 60 180 МПа (рис. 4.16.).
2600 2800
кг
м3
а.
Рис. 4.16. а - мраморовидные известняки; б- карьер по разработке мраморовидного известняка; в –
применение в античной классике
в.
б.
11

12. Известняк-ракушечник – пористая порода. Состоит из раковин и панцирей моллюсков, слабо сцементированных известковым цементом (рис. 4.17.). , ,

Известняк-ракушечник – пористая порода. Состоит из раковин и панцирей моллюсков, слабо
сцементированных известковым цементом (рис. 4.17.). Rсж 0,4 15 МПа 900 2000 кг ,
м3
,
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 SiO 2 породы. В них содержится до 75÷96 %
активного кремнезема (рис. 4.18),
350 950
кг
Вт
3 , теплопроводность 0,17 0,23
м
м 0 С
а.
Рис. 17. а – разработка мела в карьере; б – строительный мел
.
б.
а.
б.
в.
г.
Рис. 18. Разработка диатомита в карьере; б – применение диатомита; в – трепел; г - применение трепела.
12

13. 4.6. Важнейшие метаморфические породы

Мраморы – образовались из известняков (реже доломитов) под действием высоких
кг
Rсж 300 МПа
температур и огромного всестороннего давления. 2600 2800 3 ,
м
, 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,
перекристаллизованными с сросшимися зернами кварца. Имеют стойкость к
выветриванию,
кг , Rсж 400 МПа (рис. 4.20).
2500 2700 3
м
с
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.
13

14.

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
14

15. 4.7. 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:
кг
кг
1800 3 ;
• по плотности: на тяжелые
1800 3 и легкие
м
м
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).
15

16. 4.8. 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
16