Природные каменные материалы и изделия. Общие сведения. Добыча камня
Природными каменными материалами называют строительные материалы и изделия, получаемые из горных пород методами механической обработки (дроблением, раскалыванием, распиливанием). В результате такой обработки природные каменные материалы почти полностью сохраняют физико-механические свойства горной породы, из которой они были получены.
Горная порода — скопление минералов более или менее постоянного состава и свойств. Горные породы могут состоять из одного или нескольких минералов.
Минерал — природное химическое соединение, однородное по составу, строению и физическим свойствам, образовавшееся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре.
По происхождению различают магматические (изверженные), осадочные и метаморфические (измененные) горные породы.
Магматические породы образовались в результате остывания и кристаллизации магмы — расплавленной массы преимущественно силикатного состава, образующейся в глубинах земной коры. В зависимости от условий остывания магмы изверженные горные породы делятся на глубинные — интрузивные (гранит, диорит, габбро, лабрадорит) и излившиеся — эффузивные (порфиры, диабаз, базальт).
Осадочные породы образовались в результате разрушения (выветривания) горных пород под воздействием внешних условий или в результате осаждения веществ из какой-либо среды. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на обломочные — механические отложения (пески, гравий, песчаник), глинистые, хемо и органогенные (доломит, гипс, магнезит, известняк, мел, диатомит, трепел).
Метаморфические породы (гнейсы, мрамор, кварцит, глинистые сланцы) образовались в толще земной коры в результате видоизменения осадочных или магматических пород под действием температур, давления и др.
Трудоемкость обработки природного камня и качество изделий, получаемых из него, зависят от минералогического состава, строения (структура, текстура, порис- стость, трещиноватость, обрабатываемость, абразивность, анизотропность) и физико-механических свойств породы.
Структура горной породы характеризуется особенностями строения, обусловленными размерами, формой и соотношением образующих ее минералов. Структуры бывают полнокристаллические, неполнокристаллические, полукристаллические и стекловатые. Структура в значительной степени определяет декоративные качества горной породы.
Текстурой горной породы называют относительное расположение и распределение в иен породообразующих минералов. Текстуры бывают массивные, линейно-параллельные, полосчатые, слоистые, пористые.
Пористость горной породы определяют отношением объема пустот к объему горной массы. Наименьшей пористостью обладают изверженные породы. Так, пористость гранитов составляет 1,2%, диабазов и габбро — 1%, кварцитов — 0,8%. Пористость осадочных горных пород достигает 20—25%.
Горные породы делят на три основные группы: первичные, вторичные и метаморфические.
Первичные (изверженные) горные породы образовались путем остывания расплавленной магмы. К ним относятся гранит, сиенит, диорит, лабрадорит, габбро, базальт, диабаз. Эти материалы имеют плотную структуру, большой вес, высокие механическую прочность и теплопроводность. Пористая разновидность изверженных пород — вулканический туф — при небольшой плотности (1000—1500 кг/м3) обладает значительной механической прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами. Перечисленные каменные материалы применяют для приготовления щебня, кладки фундаментов зданий, облицовки стен и пола, изготовления лестничных ступеней.
Вторичные горные породы образовались от воздействия на первичные породы воды, льда, переменной температуры, газов (обломочные и рыхлые породы), а также в результате осаждения на дне водоемов раковин и панцирей простейших организмов (осадочные породы).
При разрушении первичных пород образуются гравий и песок, которые служат сырьем для изготовления бетонов и растворов. К осадочным породам относятся гипс, доломит, известковые туфы.
Известняки применяют как сырье для изготовления вяжущих, а также в качестве стенового и облицовочного материала.
Метаморфические горные породы — мрамор, гнейсы, кварциты — получились в результате воздействия на них различных внешних факторов. Например, мрамор является известняком, получившим вследствие давления и высокой температуры кристаллическое плотное строение. Метаморфические породы используют для облицовки стен зданий, настилки полов в торговых залах крупных торговых предприятий.
Добыча природного камня осуществляется в коренных (например, граниты, песчаники, известняки и др.) или рыхлых (гравий, пески, глины) месторождениях, называемых карьерами. В зависимости от условий залегания, качества и запасов горных пород, географического положения различают: промышленные карьеры с большими запасами качественного природного сырья сроком действия более 10 лет. Они не связаны со строительными объектами, хорошо оснащены оборудованием и подъездными путями; притрассовые местного значения карьеры, расположенные в районе строительства объектов со сроком действия менее 10 лет и более высокой себестоимостью продукции по сравнению с промышленными.
В зависимости от условий залегания разработка пород может производиться открытым способом, в карьерах, реже подземным (например, разработка органогенных известняков в штольнях) или подводным, при неглубоком залегании пород от поверхности воды в реке, озере. Для открытой разработки наиболее удобны горизонтально или полого залегающие пласты природного камня, которые могут находиться выше или ниже дневной поверхности или быть на одном уровне с нею. Наиболее "экономичной считается разработка выходов пород (обнажений) на склонах с небольшим объемом вскрышных работ, сравнительно легким перемещением добытой породы вниз по склону и отсутствием необходимости отвода атмосферных и грунтовых вод от фронта разработки. При разработке пород учитываются также их прочность и трещиноватость, на основании которых определяется способ отделения породы от массива. Например, механическим способом (экскаваторами) разрабатываются осадочные породы, разбитые трещинами на небольшие отдельности; отделение глыб слоистых, трещиноватых, столбчатых пород производится также механическими средствами — клиньями, лопатами; слабые мягкие породы (ракушечники, известковые туфы) добывают путем распиловки их толщ камнерезными машинами на блоки определенных размеров и формы. Массивные магматические породы разрабатываются с применением взрывчатых веществ с предварительным пробуриванием скважин (шпуров, бурок) по рядам с последующим заложением в них взрывчатых веществ и тщательной заделкой каждой скважины. Буровзрывным способом можно получать монолиты больших размеров, а также рваный камень (бут) и щебень в массовом количестве.
Используются способы распиливания твердых пород (гранитов, мраморов и др.) с помощью механических дисковых пил, армированных пластинками твердых сплавов или абразивными порошками. Вместо дисковых пил применяют баровые машины с цепными пилами, снабженными алмазными или победитовыми режущими насадками, а для отделения блоков пород от массива применяют машины с канатными пилами, при которых в качестве абразива используется кварцевый песок с водой. Вода при этом способствует образованию в массиве микротрещин по принципу «клина». В последние годы находит применение термогазоструйный аппарат для разработки массивов кварцесодержащих пород типа гранитов на блоки и другие штучные изделия. Работа аппарата основана на термическом воздействии горячей струи (свыше 2500°С) на породу, которая получается при сгорании керосина в кислороде и выбрасывается из сопла камеры. При такой высокой температуре возникают огромные внутренние напряжения, вызывающие резкие структурные деформации, сопровождаемые механическим раздроблением породы.
Природный камень, доставленный из карьеров, подвергается дальнейшей обработке, распиливанию и отделке для получения различных видов поверхности: грубой или сравнительно гладкой, в частности с применением шлифования и полировки. В процессе обработки используются пневматические инструменты и станки, с помощью которых получают необходимую фактуру (вид поверхности) : бугристую, рифленую, бороздчатую и др.
Для получения щебня, каменной крошки, дробленого песка и минерального порошка породы после их добычи из месторождений подвергают дроблению и измельчению в камнедробилках, камне-крошилках с последующими операциями по фракционированию, обогащению, промывке и пр. Для получения крупно-, средне - и мелкозернистых минеральных материалов направляются отходы, получаемые в карьерах или на камнедробильных заводах и установках. Особенно ценными отходами являются побочные продукты при распиловке и разделке природного декоративного камня (мраморов, гранита, кварцита и др.); применяя цементы, из них вырабатывают крупные блоки, декоративные плиты.
Прочность камня зависит от его строения и сил межзерновых связей слагающих его минералов. Так, прочность при сжатии у мелкозернистых горных пород выше, чем у крупнозернистых. Прочность при растяжении горных пород невысока и порой в 6—10 раз меньше прочности при сжатии.