Общие сведения о природном камне, его свойствах и применении в строительстве

Изверженные горные породы образовались из магмы, а осадочные горные породы образовались в результате физического, химического и органического разрушения, выветривания изверженных пород, а также из продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов, населявших огромные водные бассейны. Преобразованные или метаморфические горные породы образуются в результате воздействия высокой температуры, давления и химических процессов на изверженные и осадочные горные породы. Они имеют красивый цвет, рисунок, воспринимают обработку, которая придает им декоративный вид, и по своим физико-механическим свойствам пригодны для использования при облицовке зданий и сооружений.

В зависимости от геологического происхождения и минералогического состава горных пород, физико-механических показателей, способа изготовления, обработки, назначения и декоративных особенностей материалы и изделия из природного камня применяют в разных сферах строительства. Так, для облицовки зданий и сооружений наиболее часто используют граниты, диориты, сиениты, габбро, порфиры, ладориты, вулканические туфы. Эти породы относятся к изверженным. Кроме того, используют осадочные породы — доломиты, известняки, гипсовые камня, травертины, песчаники, и метаморфические — мраморы, мраморизированные известняки, гнейсы, кварциты.

В природном камне, который используют для отделки зданий, важны такие показатели, как предел прочности, объемная масса, морозостойкость, водопоглощение, пористость, размягчаемость, истираемость, твердость, растворимость, кислото - и щелочестойкость, сопротивление удару.

Для горных пород установлены следующие марки:

по пределам прочности при сжатии (МПа) — 0,47; 1,0; 1,5; 2,5; 3,5; 5,0; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80; 100;

по морозостойкости (Мрз) — 10,15, 25, 35,50,100,150, 200, 300, 400, 500, (Кмрз должен быть не менее 0, 75);

по водостойкости (Кразм) — 0,60, 0,70; 0,90, 1,00;

по объемной массе (кг/м3) — тяжелые (более 1800) и легкие (1800 и менее).

Основными показателями декоративности камня является фактура лицевой поверхности камня, рисунок, цвет, структура горной породы. Камень, используемый в качестве материала для отделки зданий и сооружений, называется облицовочным. Он предназначен обеспечить не только долговечность зданий и сооружений, но и их архитектурную выразительность, поэтому должен обладать не только высокими прочностными характеристиками и длительным сроком службы, но и своими декоративными качествами, такими, как, например, рисунок и расцветка. Облицовочный камень классифицируют по четырем основным признакам: происхождению, обрабатываемости, сроку службы в наружной облицовке здания или сооружения и декоративности.

Твердость минералов, из которых состоит камень, положена в основу технологической классификации. Технологическая классификация позволяет обоснованно определять способы и трудоемкость обработки различных пород облицовочного камня. На трудоемкость обработки камня, кроме твердости, влияет однородность камня и его структура. Чем меньше сопротивление камня истиранию, тем легче его обрабатывать. Коррозионная стойкость изделий из природного камня оценивается качественно по изменению физико-механических свойств, таких, как прочность, проницаемость и т.д. Итак, к камням, которые используются при облицовке зданий и сооружений, предъявляют требования по долговечности, степени декоративности, минералогическому составу, структуре и текстуре.

Под долговечностью облицовочного камня подразумевается его способность сохранять первоначальные качества в процессе эксплуатации здания или сооружения. Природные камни по долговечности делятся на четыре группы: высокодолговечные, долговечные, относительно долговечные и недолговечные.

По степени декоративности облицовочный камень подразделяют на высокодекоративный, декоративный, малодекоративный и недекоративный.

Термин «структура камня» подразумевает строение камня, обусловленное формой, величиной и количественным соотношением слагающих породу минералов. К структурным признакам относятся: степень кристаллизации, форма и размеры зерен минералов, равномерно-зернистость. Структуры подразделяются на полнокристаллические, скрытокристаллические и стекловатые. В зависимости от величины зерен различают структуры крупнозернистые, среднезернистые и мелкозернистые.

Так, граниты, кварциты,, диориты, сиениты, габбро, лабрадориты, базальты и другие, относятся к твердым камням. Структура у них может быть крупнозернистая, среднезернистая и мелкозернистая с размером зерен более 10 мм, от 10 до 2 мм и менее 2 мм.

Мраморы, мраморизированные известняки, плотные песчаники, доломиты, плотные туфы и т.п. относятся к камням средней твердости и мягким. Структура у них может быть крупнозернистой, среднезернистой и мелкозернистой с размером зерен более 1 мм, от 1 мм до 0,25 и менее 0,25 мм.

На свойства камня структура влияет весьма существенно. Камень с мелкозернистой структурой прочнее и долговечнее камня с крупнозернистой структурой. Неравномерно-зернистая структура менее устойчива к атмосферным воздействиям, потому что у различных по величине зерен минералов соответственно различные коэффициенты линейного расширения, а при смене температур это приводит к образованию в камне трещин. Лед, застывший в трещинах, способствует их расширению и разрушению камня. Термин «текстура камня» подразумевает пространственное расположение составных частей горной породы в ее объемах. К текстурным признакам относят равномерность расположения зерен минералов и наличие пустот. Различают массивные текстуры с равномерным плотным расположением зерен: полосчатые — с чередованием в камне участков различного минерального состава или различной структуры и шлаковые — с видимыми пустотами. Долговечность камня и качество изготовленных из него облицовочных материалов зависит от физических и механических свойств горных пород.

Физические свойства камня определяют возможность его применения для облицовки зданий, сооружений и других поверхностей. К ним относятся объемная масса, пористость, трещиноватость, морозостойкость и водопоглощение. Пористость — степень заполнения объема камня порами. Она определяется как процентное соотношение объема пор ко всему объему камня.

Трещиноватость — показатель наличия трещин в камне.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Определяется как процентное отношение массы образца камня, насыщенного водой, к массе его в абсолютно сухом состоянии. Прочность — способность камня сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. За предел прочности материала принимается напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение материала. Камень хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению.

Хрупкость — свойство материала под действием внешних сил разрушаться сразу, не обнаруживая значительных деформаций. Плиты из мрамора, гранита и других пород плохо сопротивляются удару.

Пределы прочности природных камней, используемых для отделки поверхностей, следующие: гранит 100-280 МПа при сжатии и 3 МПа при растяжении; плотный известняк — 50-150 МПа при сжатии и 0 при растяжении; песчаник — 40-150 МПа при сжатии и 2 МПа при растяжении.

Твердость — способность камня оказывать сопротивление проникновению в него более твердых тел. Твердость камня, как правило, оценивают по Шкале твердости Мооса. Для более точных определений используют специальный прибор — склерометр.

Среди изверженных пород показатели твердости природных камней следующие: граниты — твердость по шкале Мооса — 7; сиениты — 6, диориты — 6, габбро — 6, лабрадориты — 6, вулканические туфы — 2,5-3.

Среди осадочных пород у песчаников твердость по шкале Мооса — 4-5; у известняков — 3; у доломитов — 4; у травертинов — 3; ангидритов — 1,5-2,5; гипсовых камней — 1,5-2.

У минералов метаморфических "пород показатели твердости по шкале Мооса у мрамора — 3-4, а у кварцитов — 7.

Истираемость — способность камня уменьшаться в массе и объеме в результате истирающих воздействий. Она характеризуется потерей массы камня (г), отнесенной к квадратному сантиметру истираемой поверхности. Физико-химические свойства характеризуют влияние физического состояния материала на протекание определенных химических процессов (например, степень дисперсности раздробленной горной породы, влияющая на скорость химической реакции).

Химические свойства говорят о способности материала к химическим превращениям или стойкость его к влиянию веществ, с которыми он контактирует, например, стойкость к агрессивным средам. Эти свойства используются при определении долговечности породы путем испытания в растворе сернокислого натрия.

Технологические свойства в своей совокупности характеризуют способность поддаваться обработке различными методами. К основным технологическим свойствам камня относят: обрабатываемость, пооперационный выход продукции, абразивность, анизотропность.

Обрабатываемость — это свойство камня поддаваться .обработке, принимая заданную форму и фактуру в результате воздействия на него камнеобрабатывающего инструмента. Этот показатель оценивают относительным параметром (коэффициентом обрабатываемости), представляющим собой отношение производительности станка при обработке камня, принятого за эталон, к производительности при обработке данного вида камня.

Пооперационный выход — способность камня обеспечивать сохранность изделия или заготовки в процессе обработки, оцениваемая количеством продукции, полученной из единицы исходного сырья (квадратный метр из квадратного метра заготовок или квадратный метр из кубического метра блоков). Это свойство находится в зависимости от трещиноватости. Так, из блоков монолитного камня с незначительной трещиноватостью выход готовой продукции (плит толщиной 20 мм) составляет 25-30 м2/м3, а из камня с высокой удельной плотностью трещин (свыше 2 м/м2) не превышает 8-10 м2/м3.

Абразивность камня характеризуется изнашиванием камнеобрабатывающего инструмента в процессе работы. Это свойство зависит от содержания в камне абразивных минералов (кварца, корунда и др.).

Анизотропность (от греческих слов «анизос» — неравный и «тропос» — свойство) — способность камня раскалываться в одних направлениях легче, чем в других. Анизотропность обусловлена неодинаковостью физических свойств горной породы в разных направлениях, что в свою очередь вызвано особенностями пространственной ориентации в ней минералов. В наибольшей степени это свойство характерно для гранитов. Анизотропность следует учитывать при ударной обработке камня.

Строительные свойства характеризуют степень пригодности материала для условий эксплуатации. В этом смысле такие рассмотренные свойства, как прочность, водопоглощение, истираемость и др., непосредственно влияющие на эффективность эксплуатации облицовочных материалов, можно также отнести и к группе строительных свойств. Кроме того, к этой группе относят такие важные эксплуатационные свойства, как долговечность, морозостойкость, огнестойкость и др.

Морозостойкость камня — его способность сохранять основные физико-механические свойства в заданных границах при многократном действии переменных температур в водонасыщенном состоянии. Количественно это свойство характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое может выдерживать насыщенный водой образец. При этом допускается снижение прочности на сжатие не более чем на 20% и потеря по массе не свыше 5%.

Для камня, который используют в наружных облицовках, установлена следующая минимальная морозостойкость: гранитов и анлогичных изверженных пород 5Q циклов; мраморов, известняков, доломитов, траверти-нов, песчаников, туфов, вулканических и пористых базальтов— 25 циклов; известняков-ракушечников и туфов фельзитовых — 15 циклов.

Морозостойкость камня, как правило, обусловлена такими его свойствами, как водопоглощение, пористость, трещиноватость. В свою очередь, морозостойкость в значительной мере предопределяет другое важное строительное свойство камня — долговечность.

Долговечность камня — определяется сохранением его первоначальных строительных и эстетических свойств в зависимости от срока эксплуатации.

По долговечности камни подразделяют на четыре группы: весьма долговечные (кварциты и мелкозернистые граниты) с началом разрушения через 650 лет; долговечные (крупнозернистые граниты, габбро, лабрадориты) — через 200 лет; относительно долговечные (белые мраморы, плотные известняки, доломиты) — через 100 лет; недолговечные (цветные мраморы, гипсовые камни, пористые известняки) — через 25 лет.

Эстетические свойства строительных материалов — это комплекс архитектурно-художественных качеств, характеризующих уровень их художественной выразительности. Наиболее обобщающим эстетическим свойством облицовочного камня является его декоративность, служащая важным критерием при выборе и оценки материала. Уровень декоративности камня может быть оценен экспертным способом по балльной шкале. Определяющими факторами при этом являются цвет, рисунок и фактура. В зависимости от этого показателя облицовочный камень подразделяется на четыре класса: высокодекоративный, декоративный, малодекоративный и недекоративный.

Большую роль в дизайне играет фактура лицевой поверхности облицовочных плит. Она может быть:

Полированная — с зеркальным блеском, четким отражением предметов, без следов обработки предыдущей операции. Полировка особенно ярко проявляет цвет и рисунок камня. Не рекомендуется использование таких плит на полах во влажных помещениях и для наружных лестниц и площадок (без нанесения противоскользящей бучардированной полосы) — при попадании на неё воды полированная поверхность становится скользкой.

Гладкая матовая (лощеная) — бархатисто-матовая поверхность без следов обработки предыдущей операции и с полным выявлением рисунка камня.

Шлифованная — равномерно шероховатая, с получаемыми только при шлифовании неровностями рельефа высотой до 0,5 мм. Шлифовка делает поверхность равномерно шероховатой, рисунок камня сглажен. На темных и узорчатых камнях совершенно невыигрышна, так как практически полностью скрадывает цвет. Рекомендуется для полов, где необходимо уменьшить скольжение, и для наружных ступеней и площадок.

Пиленая — неравномерно шероховатая — с неровностями рельефа высотой до 2 мм, более грубая, чем шлифованная поверхность, с выявленным цветом и рисунком камня.

Термообработанная — шероховатая поверхность со следами шелушения, выглядит слегка «оплавленной», что позволяет более ярко, чем при шлифовке, проявить цвет и фактуру камня. Рекомендуется для наружной облицовки (ступени, площадки).

Точечная (бучардированная) — равномерно шероховатая с неровностями рельефа высотой до 5 мм. Обработанный этим способом гранит особенно эффективен там, где нежелательно или невозможно использовать полированные камни, а именно — при наружных работах (отмостка, площадка перед подъездом, наружные ступени и т.д.).

Лицевая поверхность плит из натурального камня может быть также искусственно состаренной (об этом уже писалось выше). Рекомендуется для «фактурных», пористых, мягких мраморов. Состаренным мрамором не только облицовывают поверхности, из него делают различные бордюры, розетки, мозаичные ротонды и ковры.

Выпускаются также плиты с пескоструйной обработкой, ва такой поверхности малозаметны царапины. Применение плит с пескоструйной обработкой для отделки пола во влажных зонах значительно повышает комфортность и безопасность покрытия.

По способу обработки поверхность мрамора может быть: полированной, шлифованной и состаренной; а гранита; полированной, лощеной, шлифованной, пиленой, бучардированной и подвергнутой огневой обработке.

Решение о способе обработки камня принимается, в первую очередь, в зависимости от его цвета и зернистости.

Следует отметить, что до недавнего времени отделку пола чаще всего выполняли каменной плиткой с полированной или шлифованной поверхностью. В последнее время все большее распространение получают другие виды обработки. Фактурированные облицовочные элементы препятствуют соскальзыванию обуви и могут быть успешно, как уже говорилось выше, использованы при отделке наружных входных групп, пандусов, лестничных ступеней и т.д. Облицовка пола плиткой с заданным рельефом в зонах с наибольшей проходимостью позволяет скрывать дефекты, неизбежно возникающие в процессе длительной эксплуатации покрытия. Такие элементы облицовки в сочетании с полированной плиткой позволяют организовывать необходимые функциональные акценты.