Пригодность природного камня

Пригодность камня для того или иного направления ис­пользования, а значит и его привлекательность для потребителя определяется комплексом свойств горных пород. Причем для окончательного выбора камня в зависимости от сферы примене­ния материала определяющими оказываются только некоторые свойства или их группы.

Так, ступени и плиты мощения для использования в обще­ственных местах должны изготавливаться из породы, удовле­творяющей повышенным требованиям к истираемости (при ин­тенсивности движения до 500 чел./час - не более 2,2 г/см2; от 500 до 1000 чел./час - не более 1,5 г/см2; более 1000 чел./час - не более 0,5 г/см2). Для изготовления деталей очагов и каминов, непосредственно соприкасающихся с огнем, необходима термо­стойкая порода ("горшечный камень") и т.д. Самые высокие требования предъявляются к камню, использующемуся в особо ответственных сооружениях (гидротехнические сооружения, атомные электростанции, хранилища радиоактивных отходов и т.п.

Стандартом на блоки из природного камня (ГОСТ 9479-84) предусмотрен обязательный контроль следующих основных свойств горных пород:

  • физических - истинная и средняя плотность, пористость, водопоглощение, водостойкость, морозостойкость (для материалов наружной облицовки), трещиноватость;
  • механических - прочность при сжатии, прочность при растяжении и изгибе (по требованию потребителя), истираемость;
  • технологических - пооперационный выход продукции; обрабатываемость, отражательная способность;
  • эксплуатационных - долговечность по морозостойкости и солестойкости;
  • эстетических - декоративность.

Физические, механические, химические свойства горных пород относятся к общим свойст­вам, присущим большинству материалов. Технологические, экс­плуатационные и эстетические свойства являются специфиче­скими характеристиками камня, представляющими непосредст­венный интерес для камнеобработчиков и строителей.

Физические свойства характеризуют особенности физиче­ского состояния материала и его отношение к внешним воздей­ствиям. Среди этих свойств в основном различают: характери­стики строения и массы (плотность, пористость и др.); свойства, выражающие отношение материала к действию воды (водопоглощение, водостойкость и др.), тепла (теплопроводность, тепловое расширение и др.), огня (огнестойкость), электрического тока (электропроводность); цвет, структуру, текстуру и фактуру материала.

Классификация камня по водопоглощению, т.е. его способности впитывать и удерживать в порах воду, может служить для ориентировочной оценки долговечности материала. Например, при водопоглощении не более 0,5% породу не испытывают на морозостойкость и считают, что она имеет достаточную дол­говечность (в стандартах на бортовые камни); высокое водопоглощение обычно указывает на недостаточную прочность и мо­розостойкость. У горных пород, используемых для получения стеновых материалов, водопоглощение не должно превышать: для вулканических туфов - 50%, для других пород - 30%.

Специфическим свойством камня, характеризующим та­кие его комплексные свойства, как пооперационный выход про­дукции при обработке, долговечность и др., является трещиноватость. Повышенная трещиноватость горных пород исключает возможность их испрльзования в качестве сырья для облицо­вочных материалов Трещины в горных породах в зависимости от ширины мо­гут быть подразделены на микротрещины (или волосяные) ши­риной менее 0,05 мм и макротрещины: очень тонкие (ширина 0,05+0,25 мм при длине до 100 мм), тонкие (ширина 0,25+1,0 мм при длине 100+1000 мм) и миллиметровые, или сквозные (ширина свыше 1 мм), наблюдаемые обычно на двух-трех гра­нях блока. Исследованиями установлено, что наиболее сущест­венное влияние на качество камня оказывают макротрещины. Наличие в камне микротрещин, а также очень тонких закрытых макротрещин практически не сказывается на его качестве и тех­нологических свойствах.

Важное физическое свойство камня - это его цвет, т.е. оп­ределенное зрительное ощущение, вызываемое в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. В общем случае цвет горной породы обусловлен цветом минералов и примесей, преобла­дающих в ее составе. Он определяется по так называемому "среднему цвету", когда цвета различных породообразующих минералов сливаются в один общий тон. В свою очередь цвет минералов обусловлен их химическим составом. Так, белые мраморы состоят в основном из бесцветных кальцита и доломи­та. Серые тона мраморов определяются присутствием углистых или других органических частиц; розовые - солей марганца или оксидного железа; зеленые - хлоритовых и серпентинитовых частиц, а иногда оксидов меди. Цвет изверженных пород опре­деляется окраской минералов: кварца, полевых шпатов и темно­цветных компонентов.

Полевые шпаты могут иметь красную, розовую, желтую или серую окраску в зависимости от фазового состояния и состава оксидов железа. Как правило, цвет полевого шпата обусловливает общий тон изверженной породы. Роговая обманка и эпидот темнят гранитные слэбы, придавая им зеленоватый от­тенок. Присутствие в гранитах зеленого микроклина - амазонита придает им голубовато-зеленые оттенки, наличие в некоторых сиенитах синего содалита обусловливает сине-голубой цвет породы.

Цвет является чрезвычайно важным признаком, оказы­вающим решающее значение при оценке декоративности камня. Структура природного камня характеризуется особенно­стями его строения, размерами, формой и соотношениями поро­дообразующих минералов. Структуры бывают кристаллические (и зернисто-кристаллические), порфировые, обломочные, стек­ловатые, оолитовые и т.д.

Механические свойства камня характеризуют способность материала сопротивляться деформированию и разрушению при воздействии на него внешних механических сил. Основными механическими свойствами материалов являются: прочность (при сжатии, растяжении, изгибе, кручении, сдвиге или срезе), упругость, пластичность, хрупкость, твердость, ударная вяз­кость, истираемость.

Прочность на сжатие - важное свойство горных пород, во многом предопределяющее их эксплуатационные показатели и область применения. Это свойство характеризуется пределом прочности камня при сжатии в сухом состоянии.

Прочность на изгиб - свойство горных пород, которое до­полняет основную информацию о породе, предопределяю круг ее назначение. Отечественные стандарты не предусматривают обязательного испытания пород на изгиб, но не исключают их проведения по требованию потребителя. Вместе с тем, в Италии такие испытания отнесены к обязательным для пород, предна­значенных для изготовления элементов наружной облицовки и несущих ступеней, которые наиболее подвержены воздействию изгибающих нагрузок.

Твердость - свойство камня сопротивляться проникнове­нию в него другого, более твердого тела, в том числе инстру­мента. От нее зависит область применения материалов, поведе­ние их в процессе эксплуатации, сохранение внешнего вида. Наиболее простым и распространенным на практике способом определения твердости природных каменных материалов явля­ется царапание их минералами, представленными в шкале твер­дости. Предложенная в прошлом веке немецким ученым Ф. Моосом указанная шкала содержит 10 минералов от самого мягко­го (талька) до самого твердого (алмаза). Порядковый номер ми­нерала в шкале соответствует его твердости, и каждый следую­щий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на преды­дущем, сам же им не прочерчивается.

Ударная вязкость (или сопротивление удару) - способ­ность материала сопротивляться деформированию или разруше­нию при ударе. Сопротивление удару важно для каменных материалов, которые в процессе эксплуатации в конструкциях подвергаются динамическим воздействиям (например, в дорож­ных покрытиях, покрытиях полов промышленных зданий и т. п.). Итальянские стандарты предусматривают испытания на ударную вязкость на копре Мартенса, принцип работы которого заключается в нанесении удара по образцу камня в виде плиты, уложенному на песчаный слой. Сопротивление камня удару ха­рактеризует суммарная работа (кг*м) свободно падающей гири массой 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 кг, отнесенная к объему образца (см3).

Истираемость - свойство материала изменять объем и массу под воздействием истирающих усилий. Количественно истираемость оценивается потерей массы образца на единицу пощади истирания в г/см2. Эта характеристика имеет большое значение при выборе облицовочного камня для покрытия полов, ступеней лестниц, покрытий дорог и тротуаров. Для облицовоч­ного камня в зависимости от характера механического воздейст­вия установлены следующие значения истираемости, г/см2, не более: при слабом воздействии - 2,2, умеренном - 1,5, значи­тельном и весьма значительном - 0,5.

Среди важнейших технологических свойств камня следует выделить обрабатываемость - способность камня поддаваться воздействию рабочего инструмента, придающего ему заданные размеры, форму и фактуру. Это специфическое свойство камня является важнейшим в технологии его обработки, так как суще­ственно предопределяет эффективность производства различ­ных изделий из того или иного вида горных пород. Обрабатываемость зависит от ряда физических и механических свойств камня, а также его петрографических характеристик: прочности, твердости, хрупкости, структуры, минерального состава, нали­чия включений и т. п.

Обрабатываемость одних и тех же горных пород неодина­кова для разных операций, что объясняется различием исполь­зуемого инструмента, режимов обработки, а иногда и характера физических процессов, сопутствующих тем или иным видам об­работки. В соответствии с этим различают пилимость, буримость, шлифуемость, полируемость камня и т.п.

По степени сложности обработки скалывающим инстру­ментом (раскалывание, теска, бучардирование, профильная об­работка, скульптурная обработка и т.д.) облицовочный камень делится на группы: три - для гранитов и аналогичных пород, пять - для мраморов, известняков и других сходных с ними по­род.

По показателям долговечности большинство разновидно­стей природного камня относится к числу наиболее стойких об­лицовочных материалов. Особенно долговечны мелкозернистые кварциты и кварцитовидные песчаники, а также мелкозернистые граниты с низким водопоглощением, сохранившиеся в древ­нейших памятниках человеческой культуры. Значительную дол­говечность имеют крупнозернистые граниты, сиениты, габбро и др., что также подтверждается хорошей сохранностью камня этих видов в исторических памятниках. Менее долговечны бе­лые мраморы с низким водопоглощением, плотные известняки, доломиты, окварцованные мраморы: в условиях наружной об­лицовки они быстро утрачивают полировку, а вслед за этим темнеют от пыли и грязи. Тем не менее, срок службы этих пород в облицовке до полного разрушения при благоприятных услови­ях может быть весьма значителен, о чем свидетельствуют со­хранившиеся до сих пор беломраморные памятники античной Греции и Древнеримской империи, сооруженные еще 2000-2700 лет тому назад. Недолговечны цветные мраморы, гипсовые кам­ни, ангидриты и большая часть пористых известняков, за ис­ключением некоторых разновидностей с особым строением пор.

Потеря внешнего вида облицовочного камня с течением времени проявляется в виде: изменения первоначального цвета (обычно выцветание) у некоторых видов цветных мраморов и гранитов; появления разнообразных пятен на поверхности (у из­вестняков, доломитов, травертинов, реже мраморов); утраты по­лированной фактуры у мраморов и мраморовидных известняков (камень приобретает "песчанистую" поверхность).

Наиболее вероятными причинами обесцвечивания горных пород могут быть ультрафиолетовое облучение либо воздейст­вие микроорганизмов. Образование на поверхности камня раз­личных пятен (чаще всего серо-желтого, желто-коричневого ли­бо бордового оттенков) обычно связано с присутствием в породе металлических минералов (пирита и т.п.), приводящих под воз­действием атмосферной влаги к образованию оксидов железа разнообразного цвета.

Одной из главных причин, сокращающих срок службы камня, являются резкие температурные колебания с переходами через нулевую температуру, особенно, в условиях повышенной влажности воздуха. Особая опасность воздействия на водонасыщенный камень мороза заключается не столько в дальнейшем понижении температуры после замерзания, сколько в частоте перехода через 0°С (точнее, через -4°С), т.е. чередовании цик­лов замерзания, оттаивания и нового замерзания воды. Такое воздействие на камень приводит к развитию в нем трещин, раз­рыву перемычек между отдельными порами, ослаблению связи между кристаллами, снижению механической прочности, в ре­зультате чего порода постепенно разрушается.

На долговечность камня могут оказывать существенное отрицательное воздействие температурные колебания, вызы­вающие постоянное расширение и сжатие горной породы (особенно это относится к породам, имеющим порфировидную структуру и темный цвет). Камень может разрушаться вследст­вие того, что кристаллы различных породообразующих минера­лов по-разному изменяют свои размеры при колебаниях темпе­ратуры. В этом свойстве кристаллов кроется главная причина возникновения многих дефектов крупнозернистых гранитов.