МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Общие сведения

Материалы и изделия, добываемые и изготавливаемые из горных пород методами механической обработки, называются природными каменными материалами. Примерами таких материалов могут служить облицовочные плиты из гранита, мрамора, известняка, туфа; штучный камень, а также щебень.

Горные породы – это природные минеральные агрегаты более или менее определенного состава и строения, являющиеся продуктом геологических процессов и образующие в земной коре самостоятельные тела.

Составными частями горных пород являются минералы.

Минералами называются продукты природных геохимических реакций, обладающие определенным химическим составом и характерными физическими свойствами. Минералы, участвующие в образовании горных пород, называются породообразующими.

Трудоемкость обработки природного камня и качество изделий, получаемых из него, зависит от минерального состава, строения (структуры, текстуры, пористости, трещиноватости, обрабатываемости, анизотропности) и физико-механических свойств породы.

Минеральный состав горных пород определяется их химическим составом, особенностями генезиса и условиями кристаллизации. По химико-минералогическому составу породы подразделяются на силикатные, карбонатные, силикатно-карбонатные и сульфатные в соответствии с главным химическим компонентом породы. Они по-разному взаимодействуют с окружающей средой и, следовательно, в разной степени поддаются коррозии. Наиболее стойкими к воздействию воды, углекислого и сернистого газов, находящихся в атмосфере, являются силикатные породы, в химическом составе которых главную роль играет диоксид кремния, не вступающий в реакцию с вредными примесями в атмосфере. Силикатными являются большинство изверженных пород, в том числе такие высокопрочные и декоративные породы, как гранит, габбро, лабрадорит. Из пород осадочного происхождения силикатными являются песчаники; из метаморфических – кварциты, сланцы, гнейсы. Стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды обеспечивает долговечность силикатных каменных пород в сооружениях [28].

Более подвержены коррозии карбонатные, карбонатно-силикатные и сульфатные породы, т.е. большинство пород осадочного происхождения и ряд метаморфических пород, в том числе широко используемые в строительстве мраморы, известняки, гипс и ангидрит. Эти породы относятся к недолговечным, легко поддаются коррозии, истиранию и растворению.

С учетом особенностей химико-минералогического состава наиболее приемлемыми для наружной облицовки зданий в крупных городах, где возможны вредные примеси в атмосфере от промышленных выбросов и выхлопных газов автотранспорта, являются силикатные породы. Использование карбонатных пород для этих же целей возможно с условием специальной защитной обработки. Сульфатные же породы могут быть использованы преимущественно в облицовке интерьеров [26].

Химико-минералогический состав определяет окраску камня. Природные камни обладают исключительным богатством расцветок. Пожалуй, нет ни одного участка цветового спектра, который бы не был повторен в них. Разнообразие цветовых оттенков позволяет архитектору найти любое декоративное сочетание в облицовке.

По окраске каменные породы можно разделить на две основные группы: ахроматические (черно-белые), отличающиеся по светлоте и имеющие различные переходные оттенки, и хроматические (цветные), которые кроме светлоты характеризуются цветовым тоном и насыщенностью цвета, т.е. степенью приближения данного цветового оттенка к чистому спектральному цвету. Цветные породы разделяются на монохромные (розовый кварцит, красный туф) и полихромные (граниты). Светлота и насыщенность цвета одной и той же породы меняются в зависимости от вида фактурной обработки ее поверхности. Цвет и рисунок облицовочного камня – весьма важные его качества; от цвета и текстуры примененной облицовки в значительной мере зависит монументальность сооружения [29].

Под структурой горной породы понимаются особенности ее внутреннего строения, обусловленные степенью кристалличности, размерами и формой кристаллов. Структура формируется в зависимости от способа связи минералов между собой, их величины и расположения в массе породы. По степени кристалличности различают структуры полнокристаллические, полукристаллические и стекловатые (аморфные). Кристаллическая структура получается при непосредственном контакте зерен минералов между собой. Например, так контактируют минералы кварца и полевого шпата в граните. В зависимости от размеров кристаллов структуры подразделяются на крупно-, средне- и мелкокристаллические. Кристаллическая структура может быть неоднородной и иметь вкрапления крупных минералов в мелко- или среднекристаллическую минеральную массу. В этом случае она носит название порфировой.

Структура породы определяет ее прочность, стойкость к воздействиям окружающей среды и декоративные качества. Величина показателей прочности каменных пород кристаллической структуры обратно пропорциональна размеру кристаллов минералов породы. Породы с кристаллической структурой прочнее и долговечнее, чем породы полукристаллические и стекловатые. Конструкции из них выдерживают значительные сжимающие нагрузки. Кроме того, эти породы менее подвержены воздействию окружающей среды, так как имеют незначительное водопоглощение, малую пористость; минералы, их составляющие, практически не вступают в химические реакции с вредными газами, находящимися в атмосфере [30]. Породы полукристаллические и аморфные, в свою очередь, отличаются более высокой хрупкостью, что целесообразно учитывать при их обработке.

Структура породы определяет и ее декоративные качества. Рисунок складывается из живописного сочетания цветовых пятен, образованных в крупнокристаллических породах кристаллами различных минералов яркой и разнообразной окраски (гранит, лабрадорит и др.), а в породах полукристаллической и порфировой структуры кусками пород различной окраски, связанных природным цементом (брекчия, конгломерат). Тонкая обработка поверхности изделий из кристаллических пород выявляет рисунок и окраску кристаллов, поэтому крупнокристаллические и порфировые структуры более декоративны, чем мелкокристаллические.

Текстура определяется взаимным расположением составных частей породы (зерен минералов, стекла) в занимаемом ими пространстве. Она имеет следующие разновидности:

1) однородная (массивная) – характеризуется равномерным распределением составных частей в массе породы;

2) неоднородная (такситовая) – характеризуется неравномерным распределением составных частей в массе породы;

3) флюидальная – характеризуется вытянутостью составных частей (микролитов) в определенных направлениях, при этом создается впечатление следов течения.

К формам текстуры также относятся нарушения целостности массива породы в виде трещин, каверн, крупных пор и другие особенности сложения. От текстуры зависит рисунок камня, слоистая текстура многих осадочных и метаморфических пород придает им полосатый рисунок (некоторые виды песчаников, известняков, мраморы, гнейсы). Живописной текстурой обладают известняки-ракушечники, где в массе камня вкраплены целые раковины и их обломки, и травертины с ноздреватыми крупными порами и кавернами.

Текстура камня имеет определенное значение в архитектурной композиции здания. Слоистость пудожского известняка, рисунок ноздреватого травертина, крупнопористого туфа и известняка-ракушечника настолько декоративны, что требуют в ряде случаев особого подхода к использованию их в облицовках. Туф имеет не только живописную текстуру, но и насыщенные яркие цвета. Не потому ли так лаконичны, так сдержанны в орнаментовке лучшие произведения армянской архитектуры.

Пористость определяется отношением объема пустот к объему горной массы. Горные породы подразделяются на низкопористые (менее 5 %), среднепористые (5–10 %) и высокопористые (до 30 %). Наименьшей пористостью обладают магматические и метаморфические породы (до 10 %). Пористость осадочных пород значительно выше (20–25 %).

Трещиноватость– наличие трещин в горной породе. Она бывает открытая, закрытая, сомкнутая и скрытая. При обработке камня учитывают разновидность трещиноватости и ложную слоистость камня, т.е. способность породы раскалываться по параллельным плоскостям.

Обрабатываемость – способность горных пород принимать заданные форму и фактуру лицевой поверхности при воздействии различными инструментами.

Анизотропность – способность горных пород (особенно гранитов) более легко раскалываться по определенным направлениям. Она в большей степени проявляется в слюдах, содержащихся в гранитах.

Важнейшими свойствами, которые выделяют природный камень среди других строительных материалов, являются его декоративность, долговечность и прочность. Богатая цветовая гамма, разнообразие текстуры (рисунка) и возможность получения различной фактуры поверхности составляют декоративные свойства камня, делая его незаменимым материалом не только в отделке фасадов, но и в облицовке интерьеров и в покрытиях полов. Прочностные свойства природного камня определяют широкий диапазон его использования: от применения в мощении улиц и площадей до тончайших деталей декоративного рельефа и орнамента в отделке зданий.

Замечательные свойства камня могут быть выявлены в полной мере только при правильном использовании его в постройках, поэтому при выборе камня необходимо учитывать целый комплекс его физико-механических свойств: твердость, плотность, прочность, теплопроводность, морозостойкость, водостойкость, истираемость и износ.

По твердости каменные породы делятся на три категории, в соответствии с которыми подбирается технология добычи и обработки камня. Породы I категории – мягкие (твердость по шкале Мооса менее 3), легко режутся стальными резцами. К ним относятся гипсовый и тальковый камень, мел, известняк-ракушечник. Породы II категории – средней твердости (по Моосу 3–5), режутся стальными и твердосплавленными резцами, легко обрабатываются абразивным инструментом. К ним относятся: мрамор, кристаллический известняк, доломит, песчаник, сланец, вулканический туф и др. Породы III категории – твердые (5–8 по Моосу), обрабатываются абразивными и скалывающими инструментами, не поддаются твердосплавным и стальным резцам. Это – гранит, сиенит, габбро, лабрадорит, кварцит и др.

От твердости породы зависит тонкость деталировки, возможность выполнения резьбы по камню. Сложная деталировка и резьба почти невыполнимы на твердых породах. Мягкие породы, наоборот, легко поддаются любой обработке, но детали и орнамент на них грубоваты и, со временем разрушаясь, как бы оплывают и теряют свои формы. Породы средней твердости труднее мягких поддаются обработке, но зато детали из них могут быть тоньше, резьба – изящнее и сложнее.

Твердость и прочность камня не всегда находятся в прямой зависимости. По большой твердости камня нельзя судить о его высокой прочности. Так, очень твердые породы, такие как габбро и сиенит, довольно хрупки, что не позволяет делать из них сложные элементы сооружений.

Прочность горных пород определяется их структурой и силами межзерновых связей. Различают высокопрочные породы с R_сж более 40 МПа, средней прочности (10–40 МПа) и низкой прочности (0,4–10 МПа). Прочностные качества камня проявляются при работе конструкций из него на сжатие. Камень – материал непластичный и довольно-таки хрупкий. Поэтому при хорошем сопротивлении сжатию он выдерживает сравнительно небольшие изгибающие нагрузки. В среднем твердые породы камня в 20 раз слабее работают на изгиб, чем на сжатие, а породы средней твердости и мягкие – в 5–10 раз. Это свойство камня определяет ограниченный выбор конструктивных схем для сооружений, где он является основным конструкционным материалом.

По плотности различают породы: тяжелые (более 1800 кг/м³) – гранит, сиенит, диорит; и легкие (не более 1800 кг/м³) – вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник. Тяжелые используются в качестве облицовки, плит для пола, материалов для дорожного строительства. Легкие (имеют зачастую пористое строение) применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов.

Водостойкость. Коэффициент размягчения камня, применяемого для гидротехнических сооружений и фундаментов, должен быть не менее 0,8, для наружных стен зданий – не менее 0,6.

Истираемость и износ. Эти свойства природного камня имеют важное значение при устройстве дорожных покрытий, полов, лестниц и т.п. Мелкокристаллические материалы при истирании становятся слишком скользкими, поэтому для лестниц, полов и дорожных покрытий следует применять среднезернистые материалы, которые при истирании остаются немного шероховатыми. При выкрашивании крупных зерен в процессе истирания в камне образуются выбоины. Истираемость должна быть не более 2,2 г/см² при слабом движении (менее 500 человек в час) и не более 0,5 г/см² при интенсивном движении (метро, вокзалы, магазины и др.) [31].

Теплопроводность. Для твердых пород она составляет 2,5, для мягких – 0,35–0,4 Вт/(м∙К).

Водопоглощение. Твердые породы имеют водопоглощение не более 0,5 %, мягкие – не более 30 %.

Морозостойкость. По способности выдерживать попеременное замораживание и оттаивание все горные породы делят на три группы:

1) высокоморозостойкие – более 200 циклов (диабазы, кварциты, мраморы, граниты, некоторые виды известняков);

2) среднеморозостойкие – от 50 до 200 циклов (известняки, доломиты, гнейсы);

3) низкоморозостойкие – до 50 циклов (опока, трепел, глины).