Классификация строительных материалов

1. Классификация строительных материалов

Строительные материалы и изделия классифицируют по степени готовности, происхождению, назначению и технологическому признаку.

По степени готовности различают собственно строительные материалы и строительные изделия — готовые изделия и элементы, монтируемые и закрепляемые на месте работы. К строительным материалам относятся древесина, металлы, цемент, бетон, кирпич, песок, строительные растворы для каменных кладок и различных штукатурок, лакокрасочные материалы, природные камни и т. д.

Строительными изделиями являются сборные железобетонные панели и конструкции, оконные и дверные блоки, санитарно-технические изделия и кабины и др. В отличие от изделий строительные материалы перед применением подвергают обработке — смешивают с водой, уплотняют, распиливают, тешут и т. д.

По происхождению строительные материалы подразделяют на природные и искусственные.

Природные материалы — это древесина, горные породы (природные камни), торф, природные битумы и асфальты и др. Эти материалы получают из природного сырья путем несложной обработки без изменения их первоначального строения и химического состава.

К искусственным материалам относят кирпич, цемент, железобетон, стекло и др. Их получают из природного и искусственного сырья, побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства с применением специальных технологий. Искусственные материалы отличаются от исходного сырья как по строению, так и по химическому составу, что обусловлено коренной переработкой его в заводских условиях.

Наибольшее распространение получили классификации материалов по назначению и технологическому признаку.

По назначению материалы подразделяют на следующие группы:

конструкционные материалы — материалы которые воспринимают и передают на грузки в строительных конструкциях;

теплоизоляционные материалы, основное назначение которых — свести до минимума перенос теплоты через строительную конструкцию и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим в помещении при минимальных затратах энергии;

акустические материалы (звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы) — для снижения уровня «шумового загрязнения» помещения;

гидроизоляционные и кровельные материалы — для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;

герметизирующие материалы — для заделки стыков в сборных конструкциях;

отделочные материалы — для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;

материалы специального назначения (например огнеупорные или кислотоупорные), применяемые при возведении специальных сооружений.

Ряд материалов (например цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в чистом виде, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий. Это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особа легкие бетоны являются теплоизоляционным материалом; особо тяжелые бетоны — материалом специального назначения, который используют для защиты от радиоактивного излучения.

По технологическому признаку материалы подразделяют, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и вид его изготовления, на следующие группы:

Природные каменные материалы и изделия — получают из горных пород путем их обработки: стеновые блоки и камни, облицовочные плиты, детали архитектурного назначения, бутовый камень для фундаментов, щебень, гравий, песок и др.

Керамические материалы и изделия — получают из глины с добавками путем формования, сушки и обжига: кирпич, керамические блоки и камни, черепица, трубы, изделия из фаянса и фарфора, плитки облицовочные и для настилки полов, керамзит (искусственный гравий для легких бетонов) и др.

Стекло и другие материалы и изделия из минеральных расплавов — оконное и облицовочное стекло, стеклоблоки, стекло профилит (для ограждений), плитки, трубы, изделия из ситаллов и шлакоситаллов, каменное литье.

Неорганические вяжущие вещества — минеральные материалы, преимущественно порошкообразные, образующие при смешивании с водой пластичное тело, со временем приобретающее камневидное состояние: цементы различных видов, известь, гипсовые вяжущие и др.

Бетоны — искусственные каменные материалы, получаемые из смеси вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей. Бетон со стальной арматурой называют железобетоном, он хорошо сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и растяжению.

Строительные растворы — искусственные каменные материалы, состоящие из вяжущего, воды и мелкого заполнителя, которые со временем переходят из тестообразного в камневидное состояние.

Искусственные необжиговые каменные материалы — получают на основе неорганических вяжущих и различных заполнителей: силикатный кирпич, гипсовые и гипсобетонные изделия, асбестоцементные изделия и конструкции, силикатные бетоны.

Органические вяжущие вещества и материалы на их основе — битумные и дегтевые вяжущие, кровельные и гидроизоляционные материалы: рубероид, пергамин, изол, бризол, гидроизол, толь, приклеивающие мастики, асфальтовые бетоны и растворы.

Полимерные материалы и изделия — группа материалов, получаемых на основе синтетических полимеров (термопластических нетермореактнвных смол): линолеумы, релин, синтетические ковровые материалы, плитки, древеснослоистые пластики, стеклопластики, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.

Древесные материалы и изделия — получают в результате механической обработки древесины: круглый лес, пиломатериалы, заготовки для различных столярных изделий, паркет, фанера, плинтусы, поручни, дверные и оконные блоки, клееные конструкции.

Металлические материалы — наиболее широко применяемые в строительстве черные металлы (сталь и чугун), стальной прокат (двутавры, швеллеры, уголки), сплавы металлов, особенно алюминиевые.

2. Физические свойства строительных материалов

Плотность материала бывает средней и истинной.

Средняя плотность с_с — масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Среднюю плотность (в кг/м3, кг/дм3, г/см3) вычисляют по формуле:

где mмасса материала, кг, г; Vе — объем материала, м3, дм3, см3.

Среднюю плотность сыпучих материалов — щебня, гравия, песка, цемента и др. — называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Относительная плотность d — отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4 °C, имеющая плотность 1000 кг/м3. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле:

Истинная плотность с_u — масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор и пустот. Вычисляется она в кг/м³, кг/дм³, г/см³ по формуле:

где m — масса материала, кг, г; Vа — объем материала в плотном состоянии, м3, дм3, см3.

У неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность находится в пределах 2400−3100 кг/м3, у органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, она составляет 800−1400 кг/м³, у древесины — 1550 кг/м³. Истинная плотность металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия — 2700 кг/м³, стали — 7850, свинца — 11 300 кг/м³.

Пористость П — степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в % по формуле:

где сс, сu — средняя и истинная плотности материала.

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость).

По величине пор материалы разделяют на мелкопористые, у которых размеры пор измеряются в сотых и тысячных долях миллиметра, и крупнопористые (размеры пор — от десятых долей миллиметра до 1~2 мм).

3. Гидрофизические свойства строительных материалов

Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха объясняется адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс, называемый сорбцией, обратимый. Волокнистые материалы со значительной пористостью, например теплоизоляционные и стеновые, обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Водопоглощение — способность материала поглощать и удерживать воду. Водопоглощение характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проходит в закрытые поры.

Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью. Водостойкость численно характеризуется коэффициентом размягчения К_разм, который характеризует степень снижения прочности в результате его насыщения водой.

Влажность — это степень содержания влаги в материале. Зависит от влажности окружающей среды, свойств и структуры самого материала.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации К_ф, м/ч, который равен количеству воды Vв в м³, проходящей через материал площадью S = 1 м², толщиной, а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления P1 — Р2 = 1 м водного столба:

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду под давлением.

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости м, г/(мхчхПа), который равен количеству водяного пара V в м³, проходящего через материал толщиною, а = 1 м, площадью S = 1 мІ за время t = 1 ч, при разности парциальных давлений Р₁ — Р₂ = 133,3 Па:

Морозостойкость — способность материала в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

4. Теплофизические свойства строительных материалов

Теплопроводность — способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводности л, Вт/(мx°С), который равен количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной d = 1 м, площадью S = 1 м² за время t = 1 ч, при разности температур между поверхностями t2- t1 = 1 °С:

При известной средней плотности, пользуясь нижеприведенной формулой, можно ориентировочно вычислить коэффициент теплопроводности л, Вт/(мх°С), материала в воздушно-сухом состоянии:

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(мх°С), а воздуха 0,023 Вт/(мх°С), т. е. превышает его в 25 раз.

Теплоемкость — способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кгх°С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t₂-t₁ = 1°С:

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушений одновременное действие высоких температур и воды. Пределом огнестойкости конструкции называется время в часах от начала огневого испытания до появления одного из следующих признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, сгораемые. Несгораемые материалы под действием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются; трудносгораемые материалы с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но происходит это только при наличии огня; сгораемые материалы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Огнеупорность — способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на огнеупорные, которые выдерживают действие температур от 1580 °C и выше; тугоплавкие, которые выдерживают температуру 1360… 1580 °C; легкоплавкие, выдерживающие температуру ниже 1350 °C.

5. Механические свойства строительных материалов

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Предел прочности при сжатии и растяжении R_{СЖ (Р}), МПа, вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм²:

Предел прочности при изгибе R_И, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента M, Нхмм, к моменту сопротивления образца, мм³:

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

к.к.к. = R/d

Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости буп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, P_УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F₀, мм2:

б_УП = Р_УП/F₀

Пластичность — способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Релаксация — способность материалов к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале.

Твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.

Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.

Истираемость - способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И в г/см² вычисляется как отношение потери массы образцом m₁-m₂ в г от воздействия истирающих усилий к площади истирания F в см2;

И = (m₁ — m₂) / Р.

Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости.

Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

6. Понятие горная порода и минерал. Основные породообразующие минералы

Горные породы — главный источник получения строительных материалов. Горные породы используют в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганических вяжущих веществ — цементов, извести и гипсовых.

Горные породы — это природные образования более или менее определенного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела.

Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной породы. Большинство минералов — твердые тела, иногда встречаются жидкие (самородная ртуть).

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы:

1) магматические породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы;

2) осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов выветривания и разрушения различных горных пород;

3) метаморфические породы, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления горных пород к изменившимся в земной коре физико-химическим условиям.

Породообразующие минералы

В настоящее время известно около 5000 минералов. В образовании же горных пород преимущественно участвуют 25 минералов. Основными породообразующими минералами являются кремнезем, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные, карбонаты, сульфаты.

Минералы группы кремнезема. К минералам этой группы относят кварц. Он может находиться как в кристаллической, так и аморфной форме.

Кристаллический кварц в виде диоксида кремния SiО₂ — один из самых распространенных минералов в природе. Аморфный кремнезем встречается в виде опала SiО2 x NH₂О. Кварц отличается высокой химической стойкостью при обычной температуре. Кварц плавится при температуре около 1700^оС, поэтому широко используется в огнеупорных материалах.

Минералы группы алюмосиликатов — полевые шпаты, слюды, каолиниты. Полевые шпаты составляют 58% всей литосферы и являются самыми распространенными минералами. Разновидностями их являются ортоклаз и плагиоклазы.

Ортоклаз — калиевый полевой шпат — K2О x Al2О3 x 6SiО2. Имеет среднюю плотность 2,57 г/см3, твердость — 6−6,5. Является основной частью гранитов, сиенитов.

Плагиоклазы — минералы, состоящие из смеси твердых растворов альбита и анортита.

Альбит — натриевый полевой шпат — Na2О x Al2О3 x 6SiО2. Анортит — кальциевый полевой шпат — CaO x Al2О3 x 2SiО2.

Плагиоклазы входят в состав кислых и основных горных пород.

Предел прочности полевых шпатов при сжатии составляет 120−170 МПа, что ниже прочности кварца. Они выветриваются под воздействием воды, содержащей углекислоту, в результате чего образуется каолинит.

Слюды — водные алюмосиликаты слоистого строения, способные расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее часто встречаются два вида — мусковит и биотит. Мусковит — калиевая бесцветная слюда. Обладает высокой химической стойкостью, тугоплавка. Биотит — железисто-магнезиальная слюда черного или зелено-черного цветов.

Водной разновидностью слюды является вермикулит. Он образован из биотита в результате воздействия гидротермальных процессов. При нагревании вермикулита до 750 °C теряется химически связанная вода, в результате чего объем его увеличивается в 18−40 раз. Вспученный вермикулит применяют в качестве теплоизоляционного материала.

Каолинит — Al2О3 x 2SiО2 x 2H2О — минерал, получаемый в результате разрушения полевых шпатов и слюд. Залегает в виде землистых рыхлых масс. Применяют для изготовления керамических материалов.

Железисто-магнезиальные силикаты. Минералами этой группы являются пироксены, амфиболы и оливин.

К пироксенам относят авгит, входящий в состав габбро, к амфиболам — роговую обманку, входящую в состав гранитов.

Оливин входит в состав диабазов и базальтов. Продукт выветривания оливина — хризотил-асбест. Эти минералы являются силикатами магния и железа и имеют темную окраску. Они обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания.

Минералы группы карбонатов. К ним относят кальцит, магнезит, доломит. Они входят в состав осадочных горных пород.

Кальцит — СаСО3 — имеет среднюю плотность 2,7 г/см3, твердость — 3. Вскипает при воздействии слабого раствора соляной кислоты. Входит в состав известняков, мраморов, травертинов.

Магнезит — MgCО3 — имеет среднюю плотность 3,0 г/см3, твердость — 3,5−4. Вскипает от горячей соляной кислоты. Образует породу с тем же названием.

Доломит — CaCО3 x MgCО3 — имеет плотность 2,8−2,9 г/см3, твердость — 3,5−4. По свойствам занимает среднее положение между кальцитом и магнезитом. Входит в состав мраморов. Образует породу с таким же названием.

Минералы группы сульфатов — гипс и ангидрит.

Гипс — CaSО4 x 2H2О — имеет среднюю плотность 2,3 г/см3, твердость — 1,5−2,0, цвета — белый, серый, красноватый. Строение — кристаллическое. Хорошо растворяется в воде. Образует породу — гипсовый камень.

Ангидрит — CaSО4 — имеет среднюю плотность 2,9−3 г/см3, твердость — 3−3,5, строение — кристаллическое. При насыщении водой переходит в гипс.

7. Классификация горных пород по происхождению

Каменные строительные материалы включают широкую номенклатуру изделий, получаемых из горных пород: рваный камень в виде кусков неправильной формы (бут, щебень и др.), изделия правильной формы (блоки, штучный камень, плиты, бруски), профилированные изделия и др.

По происхождению горные породы делят на три основных вида:

магматические, или изверженные (глубинные, или излившиеся), образовавшиеся в результате затвердевания в недрах земли или на ее поверхности, в основном из силикатного расплава — магмы;

осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне водных бассейнов и на поверхности земли;

метаморфические — кристаллические горные породы, возникшие в результате преобразования магматических или осадочных пород при воздействии температуры, давления и флюидов (существенно водно-углекислых газово-жидких или жидких, часто надкритических растворов).

Изверженные горные породы подразделяют на глубинные, излившиеся и обломочные.

Глубинные породы образовались в результате остывания магмы в недрах земной коры. Затвердевание происходило медленно и под давлением. В этих условиях расплав полностью кристаллизовался с образованием крупных зерен минералов.

К главнейшим глубинным породам относят гранит, сиенит, диорит и габбро.

Гранит состоит из зерен кварца, полевого шпата (ортоклаза), слюды или железисто-магнезиальных силикатов. Имеет среднюю плотность 2,6 г/см3, предел прочности при сжатии — 100−300 МПа. Цвета — серый, красный. Он обладает высокой морозостойкостью, малой истираемостью, хорошо шлифуется, полируется, стоек против выветривания. Применяют его для изготовления облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий, лестничных ступеней, щебня.

Сиенит состоит из полевого шпата (ортоклаза), слюды и роговой обманки. Кварц отсутствует или имеется в незначительном количестве. Средняя плотность составляет 2,7 г/см3, предел прочности при сжатии — до 220 МПа. Цвета — светло-серый, розовый, красный. Он обрабатывается легче, чем гранит, применяют для тех же целей.

Диорит состоит из плагиоклаза, авгита, роговой обманки, биотита. Средняя плотность его составляет 2,7−2,9 г/см3, предел прочности при сжатии — 150−300 МПа. Цвета — от серо-зеленого до темно-зеленого. Он стоек против выветривания, имеет малую истираемость. Применяют диорит для изготовления облицовочных материалов, в дорожном строительстве.

Габбро — кристаллическая порода, состоящая из плагиоклаза, авгита, оливина. В составе его может быть биотит и роговая обманка. Имеет среднюю плотность 2,8−3,1 г/см3, предел прочности при сжатии — до 350 МПа. Цвета — от серого или зеленого до черного. Применяют для облицовки цоколей, устройства полов.

Излившиеся горные породы образовались при остывании магмы на небольшой глубине или на поверхности земли. К излившимся породам относят порфиры, диабаз, трахит, андезит, базальт.

Порфиры являются аналогами гранита, сиенита, диорита. Средняя плотность составляет 2,4−2,5 г/см3, предел прочности при сжатии — 120−340 МПа. Цвета — от красно-бурого до серого. Структура — порфировидная, т. е. с крупными вкраплениями в мелкозернистую структуру, чаще всего ортоклаза или кварца. Их применяют для изготовления щебня, декоративно-поделочных целей.

Диабаз является аналогом габбро, имеет кристаллическую структуру. Средняя плотность его составляет 2,9−3,1 г/см3, предел прочности при сжатии — 200−300 МПа, цвета — от темно-серого до черного. Применяют для наружной облицовки зданий, изготовления бортовых камней, в виде щебня для кислотоупорных футеровок. Температура плавления его невысокая — 1200−1300 °С, что позволяет применять диабаз для каменного литья.

Трахит является аналогом сиенита. Имеет тонкопористое строение. Средняя плотность его составляет 2,2 г/см3, предел прочности при сжатии — 60−70 МПа. Окраска — светло-желтая или серая. Применяют для изготовления — стеновых материалов, крупного заполнителя для бетона.

Андезит является аналогом диорита. Имеет среднюю плотность 2,9 г/см3, прочность при сжатии — 140−250 МПа, окраску — от светлой до темно-серой. Применяют в строительстве — для изготовления ступеней, облицовочного материала, как кислотостойкий материал.

Базальт — аналог габбро. Имеет стекловидную или кристаллическую структуру. Средняя плотность его составляет 2,7−3,3 г/см3, предел прочности при сжатии — от 50 до 300 МПа. Цвета — темно-серый или почти черный. Применяют для изготовления бортовых камней, облицовочных плит, щебня для бетонов. Является сырьем для изготовления каменных литых материалов, базальтового волокна.

Обломочные породы представляют собой выбросы вулканов. В результате быстрого охлаждения магмы образовались породы стекловидной пористой структуры. Их подразделяют на рыхлые и цементированные. К рыхлым относят вулканические пеплы, песок и пемзу.

Вулканические пеплы — порошкообразные частицы вулканической лавы размером до 1 мм. Более крупные частицы размером от 1 до 5 мм называют песком. Пеплы применяют как активную минеральную добавку в вяжущие, пески — в качестве мелкого заполнителя для легких бетонов.

Пемза — пористая порода ячеистого строения, состоящая из вулканического стекла. Пористая структура образовалась в результате воздействия газов и паров воды на остывавшую лаву, средняя плотность составляет 0,15−0,5 г/см3, предел прочности при сжатии — 2−3 МПа. В результате высокой пористости (до 80%,) имеет низкий коэффициент теплопроводности, А = 0,13…0,23 Вт/(м· °С). Применяют ее в виде заполнителей для легких бетонов, теплоизоляционных материалов, в качестве активной минеральной добавки для извести и цементов.

К цементированным породам относят вулканические туфы.

Вулканические туфы — пористые стекловидные породы, образовавшиеся в результате уплотнения вулканических пеплов и песков. Средняя плотность туфов составляет 1,25−1,35 г/см3, пористость — 40−70%, предел прочности при сжатии — 8−20 МПа, коэффициент теплопроводности 1 = 0,21…0,33 Вт/(м· °С). Цвета — розовый, желтый, оранжевый, голубовато-зеленый. Применяют их в качестве стенового материала, облицовочных плит для внутренней и наружной облицовки зданий.

К метаморфическим горным породам относят гнейсы, глинистые сланцы, кварцит, мрамор

8. Магматические горные породы. Условия образования. Виды

Магматические горные породы — это породы, образовавшиеся непосредственно из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного состава), в результате её охлаждения и застывания. По условиям образования различают две подгруппы магматических горных пород:

* интрузивные (глубинные), от латинского слова «интрузио» — внедрение;

* эффузивные (излившиеся) от латинского слова «эффузио» — излияние.

Интрузивные (глубинные) горные породы образуются при медленном постепенном остывании магмы, внедренной в нижние слои земной коры, в условиях повышенного давления и высоких температур. Выделение минералов из вещества магмы при ее остывании происходит строго в определенной последовательности, каждый минерал имеет свою температуру образования. Сначала образуются тугоплавкие темноцветные минералы (пироксены, роговая обманка, биотит, …), далее рудные минералы, затем полевые шпаты и последним выделяется в виде кристаллов кварц. Главные представители интрузивных магматических горных пород — граниты, диориты, сиениты, габбро, перидотиты.

Эффузивные (излившиеся) горные породы образуются при остывании магмы в виде лавы (от итальянского «лава» — затопляю) на поверхности земной коры или вблизи нее. По вещественному составу эффузивные горные породы сходны с глубинными, они образуются из одной и той же магмы, но в разных термодинамических условиях (давлении, температуре и др.). На поверхности земной коры магма в виде лавы остывает значительно быстрее, чем на некоторой глубине от нее. Главные представители эффузивных магматических горных пород — обсидианы, туфы, пемзы, базальты, андезиты, трахиты, липариты, дациты, риолиты.

Основные отличительные признаки эффузивных (излившихся) магматических горных пород, которые определяются их происхождением и условиями образования, следующие:

* для большинства образцов грунтов характерна некристаллическая, тонко-, мелкозернистая структура с отдельными видимыми глазом кристаллами;

* для некоторых образцов грунтов характерно наличие пустот, пор, пятен;

* в некоторых образцах грунтов присутствует какая-либо закономерность пространственной ориентировки компонентов (окраски, овальных пустот и др.).

Отличия эффузивных горных пород друг от друга, как и интрузивных горных пород друг от друга, определяются условиями их образования и вещественным составом магмы, что проявляется в различной их окраске (светлые — темные) и составе компонентов.

В основе химической классификации лежит процентное содержание кремнезёма (SiO₂) в породе. По этому показателю выделяют ультракислые, кислые, средние, основные и ультраосновные породы.

9. Осадочные горные породы. Условия образования. Виды

Осадочные горные породы по условиям образования подразделяют на обломочные (механические отложения), химические осадки и органогенные.

Обломочные породы образовались в результате физического выветривания, т. е. воздействия ветра, воды, знакопеременных температур. Их подразделяют на рыхлые и цементированные. К рыхлым относят песок, гравий, глину.

=Песок представляет собой смесь зерен с размером частиц от 0,1 до 5 мм, образовавшуюся в результате выветривания изверженных и осадочных горных пород.

=Гравий — горная порода, состоящая из округлых зерен от 5 до 150 мм различного минералогического состава. Применяют для бетонов и растворов, в дорожном строительстве.

=Глины — тонкообломочные породы, состоящие из частиц мельче 0,01 мм. Цвета — от белого до черного. По составу подразделяют на каолинитовые, монтмориллокитовые, галлуазитовые. Являются сырьем для керамической и цементной промышленности.

К цементированным осадочным горным породам относят песчаник, конгломерат и брекчию.

=Песчаник — горная порода, состоящая из цементированных зерен кварцевого песка. Природными цементами служат глина, кальцит, кремнезем. Средняя плотность кремнистого песчаника составляет 2,5−2,6 г/см³, предел прочности при сжатии — 100−250 МПа. Применяют для изготовления щебня, облицовки зданий и сооружений.

=Конгломерат и брекчия. Конгломерат — горная порода, состоящая из зерен гравия, сцементированных природным цементом, брекчия — из сцементированных зерен щебня. Средняя плотность их составляет 2,6−2,85 г/см³, предел прочности при сжатии — 50−160 МПа. Применяют конгломерат и брекчию для покрытия полов, изготовления заполнителей для бетона.

Химические осадки образовались в результате выпадения солей при испарении воды в водоемах. К ним относят гипс, ангидрит, магнезит, доломит и известковые туфы.

=Гипс состоит в основном из минералов гипса — CaSО₄ x 2H₂О. Это порода белого или серого цвета. Применяют для изготовления гипсовых вяжущих веществ и для облицовки внутренних частей зданий.

=Ангидрит включает минералы ангидрита — CaSО₄. Цвета — светлые с голубовато-серыми оттенками. Применяют там же, где и гипс.

=Магнезит состоит из минерала магнезита — MgCО₃. Применяют его для изготовления вяжущего каустического магнезита и огнеупорных изделий.

=Доломит включает минерал доломита — CaCО₃ x MgCО₃. Цвет — серо-желтый. Применяют для изготовления облицовочных плит и внутренней облицовки, щебня, огнеупорных материалов, вяжущего вещества — каустического доломита.

=Известковые туфы состоят из минерала кальцита — СаСО₃. Это пористые породы светлых тонов. Имеют среднюю плотность 1,3−1,6 г/см³, предел прочности при сжатии — 15−80 МПа. Из них изготавливают штучные камни для стен, облицовочные плиты, легкие заполнители для бетонов, известь.

Органогенные породы образовались в результате жизнедеятельности и отмирания организмов в воде. К ним относят известняки, мел, диатомит, трепел.

=Известняки — горные породы, состоящие в основном из кальцита — СаСО₃. Могут содержать примеси глины, кварца, железисто-магнезиальных и других соединений. Образовались в водных бассейнах из остатков животных организмов и растений. По структуре известняки подразделяют на плотные, пористые, мраморовидные, ракушечниковые и другие. Плотные известняки имеют среднюю плотность 2,0−2,6 г/см3, предел прочности при сжатии — 20−50 МПа; пористые — среднюю плотность 0,9−2,0 г/см3, предел прочности при сжатии — от 0,4 до 20 МПа. Цвета — белый, светло-серый, желтоватый. Применяют их для изготовления облицовочных плит, архитектурных деталей, щебня, в качестве сырья для цемента, извести. Известняк-ракушечник состоит из раковин моллюсков и их обломков. Это пористая порода со средней плотностью 0,9−2,0 г/см3, с пределом прочности при сжатии — 0,4−15,0 МПа. Применяют для изготовления стеновых материалов и плит для внутренней и наружной облицовки зданий.

=Мел — горная порода, состоящая из кальцита — СаСО3. Образована раковинами простейших животных организмов. Цвет — белый. Применяется для приготовления красочных составов, замазки, изготовления извести, цемента.

=Диатомит — горная порода, состоящая из аморфного кремнезема. Образована мельчайшими панцирями диатомовых водорослей и скелетами животных организмов. Слабосцементированная или рыхлая порода со средней плотностью 0,4−1,0 г/см3. Цвет — белый с желтоватым или серым оттенком.

=Трепел — сходная с диатомитом порода, но более раннего образования. Сложена, в основном, сферическими тельцами опала и халцедона. Применяют диатомит и трепел для изготовления теплоизоляционных материалов, легкого кирпича, активных добавок в вяжущие вещества.

10. Метаморфические горные породы. Условия образования. Виды

К метаморфическим горным породам относят гнейсы, глинистые сланцы, кварцит, мрамор.

Гнейсы — сланцевые породы, образовавшиеся чаще всего в результате перекристаллизации гранитов при высокой температуре и одноосном давлении. Их минералогический состав — как у гранитов. Средняя плотность составляет 2,5−2,6 г/см3, предел прочности при сжатии — 129−300 МПа. Цвета — серый, розовый, красный. Применяют их для изготовления облицовочных плит, бутового камня.

Глинистые сланцы — породы, образовавшиеся в результате видоизменения глины под большим давлением. Средняя плотность составляет 2,7−2,9 г/см3, предел прочности при сжатии — 60−120 МПа. Цвета — темно-серый, черный. Раскалываются на тонкие пластинки толщиной 3−10 мм. Применяют для изготовления облицовочных и кровельных материалов.

Кварцит — мелкозернистая горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации кремнистых песчаников. Средняя плотность составляет 2,5−2,7 г/см3, предел прочности при сжатии — до 400 МПа. Цвета — серый, розовый, желтый, темно-вишневый, малиново-красный и др. Применяют для облицовки зданий, архитектурно-строительных изделий, в виде щебня.

Мрамор — горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации известняков и доломитов при высоких температурах и давлении. Средняя плотность составляет 2,7−2,8 г/см3, предел прочности при сжатии — 40−170 МПа. Окраска — белая, серая, цветная. Он легко распиливается, шлифуется, полируется. Применяют для изготовления архитектурных изделий, облицовочных плит, в качестве заполнителя для декоративных растворов и бетонов.

11. Применение природных каменных материалов в строительстве

Основные виды природных каменных материалов и изделий

Природные каменные материалы подразделяют на сырьевые и готовые материалы и изделия.

К сырьевым материалам относят щебень, гравий и песок, применяемые в качестве заполнителей для бетонов и растворов; известняк, мел, гипс, доломит, магнезит, глина, мергели и другие горные породы — для изготовления строительной извести, гипсовых вяжущих, магнезиальных вяжущих, портландцементов.

Готовые каменные материалы и изделия подразделяют на материалы и изделия для дорожного строительства, стен и фундаментов, облицовки зданий и сооружений. К каменным материалам для дорожного строительства относят булыжный, колотый, брусчатый и бортовые камни, щебень, гравий, песок. Их получают из изверженных и прочных осадочных горных пород.

Булыжный камень представляет собой зерна горной породы с овальными поверхностями размером до 300 мм.

Колотый камень должен иметь форму, близкую к многогранной призме или усеченной пирамиде с площадью лицевой поверхности не менее 100 см² для камней высотой до 160 мм, не менее 200 см² — при высоте до 200 мм и не менее 400 см² — при высоте до 300 мм. Верхняя и нижняя плоскости камня должны быть параллельными.

Булыжный и колотый камни применяют для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог, крепления откосов насыпей, каналов.

Камень брусчатый для дорожных покрытий имеет форму прямоугольного параллелепипеда. По размерам подразделяют на высокий (БВ), длиной 250, шириной 125 и высотой 160 мм, средний (БС) с размерами соответственно 250, 125, 130 мм и низкий (БН) с размерами 250,100 и 100 мм. Верхняя и нижняя плоскости камня параллельны, боковые грани для БВ и БС сужены на 10 мм, для БН — на 5 мм. Изготавливают его из гранита, базальта, диабаза и других горных пород с пределом прочности при сжатии 200−400 МПа. Применяют для мощения площадей, улиц.

Камни бортовые из горных пород применяют для отделения проезжей части дорог от разделительных полос тротуаров, пешеходных дорожек и тротуаров от газонов и т. п. По способу изготовления подразделяют на пиленые и колотые. По форме бывают прямоугольные и криволинейные. Имеют высоту от 200 до 600, ширину — от 80 до 200 и длину — от 700 до 2000 мм.

Бутовый камень — куски камня неправильной формы размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы), и постелистый.

Щебень представляет собой рыхлый материал, полученный дроблением скальных горных пород с прочностью 80−120 МПа. При размере зерен от 5 до 40 мм его применяют для черного щебня и асфальтобетона при строительстве автомобильных дорог, щебень с зернами от 5 до 60 мм служит для устройства балластного слоя железнодорожного пути.

Гравий — рыхлый материал, образовавшийся при естественном разрушении горных пород. Имеет скатанную форму. Для изготовления черного гравия применяют гравий с размером зерен от 5 до 40 мм, а для асфальтобетона его дробят обычно на щебень.

Песок — рыхлый материал с размерами зерен от 0,16 до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения или полученный искусственным дроблением горных пород. Применяют его для подстилающих слоев дорожных одежд, приготовления асфальтовых и цементных бетонов и растворов.

12. Защита природных каменных материалов

Защита, транспортирование и хранение природных каменных материалов Каменные материалы в условиях службы в конструкциях и сооружениях могут подвергаться медленному разрушению. Этот процесс по аналогии с разрушением горных пород на земной поверхности называют выветриванием. Основные причины разрушения каменных материалов в сооружениях:

— растворяющее действие воды, усиливающееся растворенными в ней газами (SО₂, CO₂ и др.);

— замерзание воды в порах и трещинах, сопровождающееся появлением в материале больших внутренних напряжений;

— резкое изменение температур, вызывающее появление на поверхности материала микротрещин.

Все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на повышение их поверхностной плотности и на предохранение от воздействия влаги.

Стойкость материалов против выветривания можно повысить конструктивными мерами, к числу которых относят обеспечение хорошего стока воды и придание камням плотной и гладкой поверхности, например зеркальной. Стойкость против выветривания пористых материалов существенно повышается при создании на их лицевой поверхности плотного водонепроницаемого (гидрофобизующего) слоя.

Во время транспортирования и хранения природных каменных материалов и изделий из них необходимо соблюдать меры, исключающие их механическое повреждение, загрязнение и увлажнение.

Облицовочные плиты перевозят в прочной таре, приспособленной для механизированной погрузки и разгрузки. При транспортировке плиты следует устанавливать в вертикальном положении попарно лицевыми поверхностями внутрь с прокладкой между ними бумаги и закреплять клиньями.

Камни облицовочные и ступени укладывают рядами, используя деревянные прокладки. Плиты для полов хранят уложенными на длинное ребро в один ряд по высоте.

13. Понятие минеральные вяжущие вещества, виды

Вяжущие вещества — строительные материалы для изготовления бетонов и растворов. Различают неорганические (минеральные) вяжущие вещества (цемент, гипс, известь и др.) и органические (битумы, дегти, пеки).

Минеральные вяжущие вещества (обычно порошкообразные) при смешивании с водой (иногда с водными растворами солей) образуют пластичную массу, приобретающую затем камневидное состояние. Их делят на гидравлические, способные твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде (напр., портландцемент), и воздушные, твердеющие и сохраняющие прочность только на воздухе (гипс, известь)

14. Гипсовые вяжущие. Сырье и условия получения

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат сульфатные горные породы, преимущественно минерал двуводный гипс (СаSO₄*Н₂О).

При тепловой обработке природный гипс постепенно теряет часть химически связанной воды, а при температуре от 110 до 180 °C становится полуводным гипсом. После тонкого измельчения этого продукта обжига получают гипсовое вяжущее вещество.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный и высокопрочный гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельченного двуводного гипса. На отдельных заводах после обжига гипс подвергают вторичному помолу. Он относится к мелкокристаллической разновидности гипсового вяжущего вещества, что увеличивает водопотребность при затворении строительного гипса водой до стандартной консистенции теста. В отвердевшем состоянии обладает невысокой прочностью — 2 … 16 МПа. Но прочность на сжатие уменьшается с увлажнением образцов.

Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола а-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15 … 0,3 МПа. Вместо автоклавов возможно использование в качестве тепловой среды водных растворов некоторых солей, например хлористого кальция.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс). При температурах обжига (800 … 950°С) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Начало схватывания наступает не ранее 2 ч, предел прочности при сжатии составляет 10 .,. 20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у гипсовых вяжущих и ангидритового цемента. Его применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, например искусственного «мрамора», штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки под линолеум.

Отличительной особенностью гипсовых вяжущих веществ является их низкий срок схватывания, что вызывает определенное неудобство при производстве строительных работ. По срокам схватывания они разделяются на быстро-, нормальнои медленнотвердеющие. Для продления сроков схватывания в гипсовое тесто нередко вводят добавки-замедлители, например кератиновый клей, сульфитно-дрожжевую бражку и др. Они адсорбируются частицами гипса, что затрудняет их растворение и начало схватывания.

15. Твердение и свойства гипсовых вяжущих

Как и любые вяжущие вещества, гипсовые вяжущие при смешивании с водой образуют пластичное тесто, превращающееся со временем в камневидное тело.

В процессе твердения гипсовых вяжущих можно выделить три этапа:

1) подготовительный — образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам гидратации;

2) период коллоидации (схватывание) — переход новообразований в раствор в гелеобразном виде, минуя растворение;

3) период кристаллизации (твердение) — перекристаллизация коллоидных частиц в большие кристаллы и образование сростка.

При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата кальция CaSO_4*0,5H₂O + 1,5Н₂0 = CaS0_4*2H₂0.

Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования рыхлой пространственной коагуляцнонной структуры, в которой кристаллики двугидрада связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами молекулярного сцепления. После схватывания происходит твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их срастанием и образованием кристаллизационной структуры. Свежеизготовленные гипсовые изделия сушат (при 60—70°С), что повышает прочность контактов срастания кристаллов и самих изделий вследствие удаления пленочной воды.

Основными характеристиками гипсовых вяжущих служат сроки схватывания, тонкость помола, прочность при сжатии и растяжении, водопотребность и др.

Тонкость помола характеризуется массой гипсового вяжущего (% пробы, взятой для просеивания, но не менее 50 г), оставшегося при просеивании на сите с ячейками размером в свету 0,2 мм. Установлены три степени помола, обозначаемые соответственно I, II, III: I (грубый помол) -остаток на сите не более 30%; II (средний помол) — остаток на сите не более 15%; III (тонкий помол) — остаток на сите не более 2%.

Водопотребность гипсового вяжущего определяется количеством воды, % массы вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции (диаметр расплыва 180±5 мм).

По срокам схватывания ГОСТ 125–79 предусматривает выпуск следующих вяжущих;

быстротвердеющего (индекс А) — с началом схватывания не ранее 2 мин, конец — не позднее 15 мин;

нормально твердеющего (индекс Б) -с началом схватывания не ранее 6 мин, конец — не позднее 30 мин;

медленнотвердеющего (индекс В)-с началом схватывания не ранее 20 мин (конец схватывания не нормируется) .

В зависимости от степени помола различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола с максимальным остатком на сите с размером ячеек 0,2 мм не более соответственно 23% 14% и 2%, обозначаемые индексами I, II и III.

Марку гипсовых вяжущих (от Г-2 до Г-25) характеризуют по прочности при сжатии образцовбалочек 40×40×160 мм в возрасте 2 ч после затворения водой. Минимальный предел прочности при сжатии соответствующих марок меняется в пределах 2−25 МПа, а при изгибе- 1,2−8,0 МПа.

Чтобы получить гипсовое удобоукладываемое тесто, необходимо взять 60−80% воды от массы вяжущего, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18,6% воды. Избыток ее остается в порах, затем испаряется, поэтому получившийся в результате твердения полуводного гипса гипсовый камень обладает высокой пористостью, достигающей 40−60% и более. Чем больше воды затворения, тем выше пористость камня, а прочность его соответственно меньше. Прочность гипсовых образцов, высушенных при температурах до 330 К, в 2−2,5 раза выше прочности влажных образцов после 1,5 ч твердения.