Анализ современных конструкционных материалов на основе природных горных пород
Основные понятия
горный магматический песчаник
Горные породы - это природные образования, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора (литосфера). Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу кристаллических минеральных зерен, наряду с которыми могут присутствовать аморфное вещество и органические остатки; к горным породам относятся встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ (неорганических и органических).
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные и интрузивные), осадочные и метаморфические.
Магматические горные породы - это породы, образовавшиеся непосредственно из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного состава, образованной в глубинных зонах Земли), в результате её поступления в верхние горизонты Земли, охлаждения и застывания. В зависимости от условий застывания различают интрузивные (глубинные) эффузивные (излившиеся) горные породы.
Осадочные горные породы (ОГП) - горные породы <#"justify">Природный камень - натуральный строительный материал.
Натуральным камнем называют все горные породы, используемые в строительстве. Например: мрамор <#"justify">·Декоративность Важное свойство горных пород, позволяющее использовать их в качестве облицовочного материала, - декоративность. Имеется в виду эстетическая привлекательность природного камня, в первую очередь его цвет и рисунок.
·Прочность
По пределу прочности при сжатии (МПа) установлены следующие марки каменных материалов:
üдля тяжелых пород -10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100;
üдля легких пород - 3,5; 5; 7,5; 10; 15;
üдля ракушечника, идущего на кладку стен, - 0,4; 0,7; 1; 1,5; 2,5; 3,5; 5. Если говорить об использовании натурального камня в строительстве, то в этом смысле одним из важнейших его свойств является прочность, от которой зависит износостойкость материала. Чем прочнее камень, тем дольше он прослужит. В зависимости от твердости минералов, входящих в состав горной породы и в значительной степени определяющих ее свойства, камни условно делятся на три группы: 1. прочные - кварциты, граниты, габбро; 2. средней прочности - мрамор, известняки, травертины; 3. низкой прочности - рыхлые известняки, туфы.
·Плотность
Плотность - это масса единичного объема вещества. От этого показателя зависит вес конструкции: чем выше плотность камня, тем конструкция будет тяжелее.
В зависимости от средней плотности природные каменные материалы подразделяют на:
üлегкие (пористые) (рс < 1800 кг/м3)
üтяжелые (рс> 1800кг/м3). Плотность зависит от пористости породы и минералов, входящих в ее состав.
·Пористость Пористость камня, который используется в качестве облицовочного материала, является одной из важнейших его характеристик. От пористости зависит водопоглощение ,соле и кислотостойкость. Это основные показатели, влияющие на долговечность материала. Кроме того, общая пористость определяет прочность, теплопроводность, полируемость, обрабатываемость, декоративность камня и другие характеристики. С повышением общей пористости снижается прочность и объем камня, ухудшается его полируемость, уменьшается вес изделия и улучшается его способность к обработке.
·Водопоглощение, соле, кислото и морозостойкость
По морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания для каменных материалов установлены марки: F10, F15, F25, F35, F50, F100, F150, F200, F300.
По степени водостойкости (коэффициенту размягчения) материалы делят на группы с величиной данного показателя 0,6; 0,75; 0,9 и 1. Другим важным свойством горных пород, является показатель водопоглощения. От него и от минерального состава материала зависит кислото- и солестойкость камня, а также его морозостойкость. Ведь при замерзании вода в порах увеличивается в объеме на 9%, создавая мощное давление. Вода, проникая в поры материалов, оставляет на них после высыхания концентрированные растворы солей. Из них начинается рост кристаллов, создающих огромное кристаллизационное давление. При высоком водопоглощении и низкой пористости под этим давлением в материале образуются трещины. При высокой пористости камня кристаллизационное давление распределяется равномерно, и новые трещины не образуются. Кислотостойкость - свойство пород и материалов реагировать с различными кислотами, разрушая или преобразовывая горные породы. Мрамор реагирует на кислоты, в том числе на пищевые (лимонная, уксусная). Мрамор, травертины, известняки и доломиты разрушаются от действия соляной кислоты. Все это означает, что в наружной отделке зданий лучше использовать породы, которые не разрушаются под воздействием неблагоприятных факторов и долго сохраняют свой внешний вид, гранит <#"justify">Таблица. Классификация пород по степени истираемости
Гр. истирае-мостиПороды и материалыНатуральный износ при интенсивности человекопотока 1 млн. чел. в год (мм)1Кварциты и породы группы гранитаменее 0,122Базальты, микрокристал-й мрамор0,12-0,353Рыхлые базальты, мрамор, песчаники, доломиты0,35-0,64Мраморизованные известняки, травертины, известняки, туфы0,6-1,55Рыхлые известняки1,5-2,5
НОМЕНКЛАТУРА
В номенклатуру материалов из природного камня включают:
üПлиты;
üБлоки;
üКамни;
üАрхитектурно-строительные изделия (профильные и плоскостные), включая предназначенные для специальных нужд таких, как: - гидротехнические (речные и морские); - мосты и подземные сооружения (надводные и подводные части мостов, тоннели); - дорожное строительство.
Рассмотрим, перечисленные выше, виды подробней. Плиты (ширина до 1200 мм, толщина 5-40 мм) используются для наружной и внутренней облицовки. Блоки (объем не менее 0,1 м3) прекрасно подходят для кладки фундаментов и стен. Технология обработки определяет возможные виды блоков - тесаные, колотые или пиленые.
Камни (390x190x188, 490x240x188, 390x190x288 мм и т.п.) несут ту же функциональную нагрузку, что и блоки.
Архитектурно-строительные <#"justify">üпиленые,
üколотые и цокольные;
üнакрывочные колотые и пиленные;
üподоконные пиленые,
üступени колотые,
üпиленые и цельные ступени,
üпроступи пиленые,
üпарапеты криволинейные и прямоугольные,
üколонны,
üпорталы,
üбалясины,
üдетали карниза,
üпояса,
üшары декоративные
üкамень кордонный.
Разберемся с терминологией. Балясина - это относительно невысокий фигурный столбик в форме тела вращения. Используется в качестве элемента ограждения террас, лестниц и балконов, верхняя часть которых покрыта перилами. Изготавливается преимущественно из мрамора <#"justify">−бутовый камень (куски неправильной формы не более 50 мм по наибольшему измерению),
−щебень (куски до 150 мм из дробленого бута),
−плиты для гидротехнических сооружений (из изверженных и осадочных горных пород);
−брусчатку в форме бруска, слегка суживающегося книзу (из однородных мелко и среднезернистых изверженных пород) - используется для мощения дорог;
−бортовые камни высотой до 400 мм (из плотных изверженных пород) - служат для отделения дороги от тротуара;
−плиты для тротуаров (обычно из гнейса) толщиной не менее 40 мм.
Свойства
Когда речь заходит о свойствах природных камней, то на ум прежде всего приходят : прочность и долговечность. При этом важно учитывать, что природный камень <#"justify">·эксплуатационно-технические;
·эстетические.
Эксплуатационно-технические свойства, впрочем, как и эстетические ,определяются структурой горной породы. При ее оценке важно учитывать непосредственную связь между составом и свойствами породообразующих минералов, которые отличаются самыми разными характеристиками .
С учетом характеристик минералов, характера их расположения, количества и вида цементирующего вещества выделяют следующие основные структуры горных пород:
·кристаллические,
·стекловатые,
·пегматитовые,
·порфировые.
В ходе определения характера кристаллической структуры горной породы, устанавливают крупность зерен, которые классифицируют в соответствии с их размером.
Принято выделять:
·крупнозернистые структуры (> 40 мм),
·среднезернистые (2-10 мм)
·мелкозернистые (< 2 мм).
При этом у природных камней средней твердости, таких, как мрамор структура, имеющая размер зерна более 1 мм считается крупнозернистой, от 0,25 до 1 мм - среднезернистой и до 0,25 мм - мелкозернистой.
Для проведения физико-механических испытаний и оценки структуры добывают специальные образцы из массива природного камня, еще на этапе геологической разведки. Оценивая структуру природного камня, выбирают куски максимально больших размеров, при этом, с характерным для исследуемой породы расколом. При изучении образца учитываются следующие параметры: - размер; - форма; - характер раскола; - фактура поверхности раскола; - стойкость минералов, т.е. способность к расколу по определенным плоскостям при ударе; - наличие трещин, включений, секреции; - звук от удара молотком.
В ходе определения твердости природных камней используют шкалу Мооса, сравнивая их твердость с твердостью специально выделенных их общего ряда минералов, которые расположены в особом порядке - по мере нарастания твердости, это: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз. Более точные данные можно получить, определяя твердость породы с помощью специального прибора (ПМТ-3), чей принцип действия базируется на вдавливании в исследуемый образец алмазной пирамиды.
По твердости природные камни делятся на три группы. По шкале Мооса твердые камни имеют 6-7 ед., средние 3-5 ед., а мягкие - 1-2 ед.
Твердые камни характеризуются большей монолитностью структуры по сравнению с двумя другими группами. Средняя плотность в зависимости от их вида камня, как правило находится в пределах 800-3100 кг/м3.
Водопоглощение твердых природных камней, обычно, находится в пределах 0,01-5%: - гранит, диорит и сиенит - 0,1-1; - габбро - 0,1-0,2; - лабрадорит и тешенит - 0,2-1; - диабаз - 0,01-0,2; - кварцевый порфир - 0,1-5; - базальт - 1-5.
Водопоглощение камней средней твердости 0,1-40%: - мрамор - 0,1-0,7; - известняк - 0,5-40; - песчаник - 0,2-,5; - туфы - 4-40%. Коэффициент указанных выше пород средней твердости, как правило, не менее 0,6.
Морозостойкость природного камня достаточно высока, так твердые породы (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт - более 50. Камни средней твердости - более 25 циклов, а мягкие - не менее 15.
Предел прочности при сжатии природных каменных материалов зависит от их твердости. Проводя испытания предела прочности при сжатии используют образцы кубической или цилиндрической формы, высверленные из целого изделия. Для опытов с крупными блоками (высота более чем в 1,5 раза превышает толщину) готовят два образка - с нижней и верхней грани.
Важное значение для природных каменных материалов имеет параметр истираемости, поскольку их часто используют для покрытия полов в различных общественных местах. Наименьший показатель истираемости у твердых материалов (не более 0,5 г/см2), в то время, как у большинства природных камней средней твердости этот показатель находится в пределах 1-5 г/см2.
С твердостью так же напрямую связана долговечность. Одни из самых долговечных - мелкозернистые граниты <#"justify">Области применения
В архитектурно-строительной практике природные каменные материалы используют как конструкционные (блоки для фундаментов, стен), конструкционно-отделочные (плиты для пола, лестниц), отделочные ( плиты, профильные изделия для наружной и внутренней облицовки).
Блоки из природного камня для фундаментов и кладки наружных стен применяются, как правило, как местный материал для двух-, трёх- и пятиэтажных жилых и общественных и промышленных зданий.
Блоки для кладки стен:
−из песчаника светло-коричневые, жёлтые, красные;
−из известняка - серые, светло-серые, желтые, розовые;
−из туфа - красные, фиолетовые, светло-коричневые, розовые, оранжевые.
Эти цвета, причём различных оттенков, оказывают большое влияние на эстетическую выразительность зданий и сооружений.
Отделочные материалы из природного камня для наружной и внутренней облицовки отличаются прежде всего более высокой долговечностью по сравнению с другими материалами аналогичного назначения.
Обычно восприятие природных каменных материалов в интерьере связывают с ощущением торжественности, чистоты и даже холода (при лощёной и полированной фактурах).
С экологической точки зрения горные породы, и прежде всего твёрдые (гранит и др.), требуют предварительных исследований, позволяющих определить количество природных газообразных радионуклидов (радон), большая концентрация которых небезопасна для здоровья человека.
ЗАПАД
Искусственный отделочный камень - достаточно молодой материал. Свое широкое распространение он получил лишь около двух десятилетий назад, во многом, благодаря американской компании Eldorado Stone Corp., по технологии которой искусственный камень производится сегодня в десятках стран мира. Изначально этот легкий цементно-песочный материал, по внешнему виду неотличимый от натурального камня, был предназначен для облицовки цоколей зданий. Сегодня его применяют практически для любых облицовочных работ: искуственным камнем украшают фасады, заборы, террасы, беседки, гроты и интерьеры.
Примечательно, что на Западе этот материал используют не только для отделочных работ, но и для реставрации памятников архитектуры. В случае, когда какие-либо отдельные фрагменты архитектурных сооружений становятся достоянием музеев, реставраторы часто заменяют изъятые детали аналогичными, но выполненными уже не из натурального, а из искусственного камня. Примерами могут служить фрагменты Букингемского дворца в Лондоне или башни Св. Джеймса в Винздоре. Несмотря на то, что обе резиденции принадлежат королевской семье, для их реставрации был использован искусственный камень, произведенный английской корпорацией Haddon-stone.
Популярность искуственного камня объясняется, прежде всего, его относительно невысокой стоимостью, простотой укладки и отличными декоративными качествами.
На российском рынке декоративный облицовочный камень в импортном исполнении появился примерно пять лет назад. Надо отметить, что поначалу, из-за своей высокой стоимости он был доступен далеко не всем. Однако, сегодня ситуация в корне изменилась благодаря тому, что искусственый камень стали производить и в России.
Ввозить искусственный камень из-за рубежа стало нерентабельным - за последнее время цены на него снизились почти вдвое, и сегодня на нашем рынке представлены, в основном, отечественные материалы. Среди ведущих российских производителей и продавцов искусственного камня можно назвать такие фирмы как "Алькора-Керамика", KAMROCK, "Форланд" и "Эколит".
По качеству отечественный искусственный камень не уступает зарубежным аналогам, он больше приспособлен к эксплуатации в суровых климатических условиях нашей страны, а по цене - доступнее. Поэтому сегодня к основным достоинствам искусственного камня можно отнести и его относительную дешевизну.
Заключение
Можно с уверенностью сказать, что природный камень - один из самых древних стройматериалов. Он зарекомендовал себя своей надежностью и долговечностью. Его широко использовали в отделке фасадов. Свидетельство тому - сотни шедевров архитектуры, дошедшие до наших дней.
Положительные моменты
Благодаря долговечности природный камень занимает лидирующие позиции среди других строительных материалов. Это одна из важнейших его характеристик.
Не менее важную роль играет эстетическая привлекательность. Красота природного камня позволяет превратить самые обычные строения в шедевры архитектуры. Здания облицованные , например гранитом, имеют свое "лицо" и отличаются изяществом и аристократизмом. этот материал обледенил в себе тонкость, изящество и в то же время высокую прочность и практичность. Природный камень широко применяется не только в отделке общественных зданий, мостов, набережных. Он пользуется огромной популярность в частном строительстве. Дом с фасадом, облицованным природным камнем, может многое рассказать о своем владельце. В первую очередь он становится показателем благополучия и стабильности. Не удивительно, что все больше людей предпочитают использовать именно природный камень для отделки своих домов. При соблюдении технологи при укладке, облицовка из этого материала прослужит веками.
Спектр применения природного камня очень широк. Он может служить не только облицовочным материалом или напольным покрытием. Оригинальность, определенный шарм и тонкость интерьеру придадут элементы декора, выполненные из природного камня.
Недостатки природного камня
По поводу недостатков природного камня можно сказать, что они скорее надуманны, нежели реальны. К одному из главных минусов этого природного материала можно отнести его солидный вес. Природный камень действительно очень тяжелый. Но это не значит, что от него нужно отказываться. Просто следует провести более точные расчеты, беря во внимание высоту здания, толщину плит и породу камня. Важно учитывать и способ крепления.
Все чаще встает вопрос о радиоактивности природного камня. Действительно, некоторые горные породы обладают радиоактивным фоном. К таким можно отнести камень магматического происхождения (гранит, габбро, диорит). В зависимости от расположения пласта и места добычи этот показатель может на порядок отличатся. Не стоит забывать о том, что санитарно-гигиенические нормы еще никто не отменял. В паспорте изделия из камня обязательно должен быть указан класс, к которому относиться материал и рекомендации по его использования. Чтобы быть уверенным, что природный камень не принесет вреда Вашему здоровью и здоровью близких, не стоит использовать камень, предназначенный для внешней отделки для изготовления столешниц и подоконников.
Список используемой литературы
.#"justify">.#"justify">.#"justify">.Учебное пособие для студентов строительных специальностей ВУЗов «Строительное Материаловедение»/ под общ. Ред. В.А. Невского , Феникс, 2010