Строительные материалы. Основные понятия

Природные каменные материалы

В России существуют природные запасы материалов, относящихся к горным породам, которые широко применяются в строительстве как строительные материалы и как сырье для их производства.

В зависимости от условий образования горные породы делятся на первичные (изверженные), вторичные (осадочные), видоизмененные (метаморфические).

Первичные (изверженные) породы образовались из магмы – огненно-жидкой массы, поднявшейся из глубин земли и затвердевшей при остывании. Они разделяются на глубинные породы, остывшие под землей, и излившиеся (вулканические), которые застывали на поверхности земли.

Изверженные глубинные породы остывали медленно под большим давлением и приобрели зернисто-кристаллическую структуру. Они обладают большой прочностью на сжатие и плотностью. К таким породам относятся гранит, сиенит, диорит и др.

Изверженные излившиеся (вулканические) породы остывали быстро и неравномерно и в зависимости от условий образования обладают плотной или пористой структурой. К плотным вулканическим породам относятся базальт, диабаз и т. п. К рыхлым – пемза, туфы, трасс; они имеют малый объемный вес вследствие большой пористости, обладают малой теплопроводностью и являются хорошим стеновым материалом.

Вторичные (осадочные) породы образовались в результате разрушения изверженных или других пород под влиянием атмосферных условий – действий воды, ветра, изменения температуры (выветривания). В результате выветривания образовались рыхлые породы – гравий, глина, пески, а также цементированные песчаники и другие. Выветривание сопровождалось не только механическим разрушением, но и химическими явлениями, в результате чего образовались такие осадки, как гипс.

Осадки, полученные в результате отмирания микроорганизмов в морских и пресных водах, образовали породы органического происхождения: известняки, мел, ракушечник и т. п. Среди осадочных пород наиболее распространены известняки, которые служат сырьем для производства извести и цемента.

Видоизмененные (метаморфические) породы образовались в результате последующих глубоких изменений изверженных и осадочных пород под влиянием высоких температур или больших давлений. К таким породам относятся мраморы, гнейсы, сланцы.

Горные породы содержат различные породообразующие минералы, представляющие собой химические соединения или их смеси. К ним относятся кварц (группа кремнеземов), полевые шпаты, слюда (группа силикатов). В составе осадочных пород, кроме того, весьма часто встречаются карбонаты (соли углекислоты).

Мост из природного камня

Природные каменные материалы – древнейшие строительные материалы. В настоящее время они находят применение в строительстве в виде бутового камня, представляющего собой куски горной породы неправильной формы размером от 150 до 500 мм, булыжника, щебня, тесаного камня и плит.

Согласно Строительным нормам и правилам бутовый камень должен иметь предел прочности при сжатии не менее 25 кг/см 2. Такой прочностью обладают местные осадочные породы (известняки, доломиты, песчаники). Бутовый камень также может заготовляться из более крепких изверженных горных пород – гранита, сиенита и т. п.

Добыча камня производится в каменных карьерах обычно открытым способом. Предварительно снимают пласты породы, покрывающие полезное месторождение, производят вскрышные работы, после чего ведут разработку камня взрывным способом. Взрывчатое вещество размещают в шпурах, пробуренных в толще породы. Разработка разрушенной взрывами породы производится экскаваторами с погрузкой на транспортные средства.

Фундамент из бутового камня

Бутовый камень используется, главным образом, для кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, подпорных стенок.

Булыжный камень получают раскалыванием крупных камней, добываемых в карьере, или отдельных природных камней-валунов. Он применяется для мощения мостовых и откосов, для производства щебня.

Щебень – продукт дробления в камнедробилках бутового или булыжного камня. Камень подвергается дроблению, разделению на фракции по крупности (сортировке), промывке водой с целью удаления примесей (обогащению). Дробильно-сортировочные установки располагаются вблизи каменных карьеров.

Размер щебня в поперечнике 3-70 мм, а для гидротехнического строительства – от 3 до 150 мм.

Из природного камня путем обтесывания или распиловки на станках изготовляют камни правильной формы и плиты. Эти изделия используются для устройства стен зданий, для облицовки монументальных сооружений. Для кладки наружных и внутренних стен применяются камни, выпиливаемые из ракушечника, пористого известняка и вулканического туфа размером 390х190х188 мм.

Природные камни, применяемые в строительстве, обладают различными свойствами.

Объемный вес камня в естественном состоянии колеблется в широких пределах. Так, граниты имеют объемный вес 2500-2900 кг/м 3. плотные известняки 1800-2600 кг/м 3. пористые ракушечники 900-1600 кг/м 3 .

Природные камни в основном имеют незамкнутые, сообщающиеся пустоты. Это обуславливает низкую водоотдачу, высокое водопоглощение и естественную влажность материала, что негативно сказывается на характеристиках теплопроводности и морозостойкости природных камней. Искусственные камни низкой плотности (пенобетон, полистиролбетон) в основном имеют поры замкнутой сферической формы, что не позволяет камням поглощать большое количество влаги. Поэтому эти строительные материалы имеют более высокие эксплуатационные характеристики.

От объемного веса камней зависит их теплопроводность: чем меньше объемный вес, тем ниже теплопроводность. Камни тяжелых пород имеют сравнительно большую теплопроводность. Легкие камни (ракушечник, пористые известняки, вулканические туфы) менее теплопроводны и находят широкое применение при возведении стен.

Камни тяжелых пород имеют марки до 1000 и выше. Марка камня определяется испытанием образцов в лаборатории, где они на прессах подвергаются сжатию до разрушения. Образцы выпиливают в виде кубиков размером 10×10х10 см или 7х7х7 см соответственно для пород средней и высокой прочности.

Большинство каменных горных пород, обладая значительной прочностью на сжатие, плохо сопротивляются растягивающим усилиям. Поэтому обычно каменные материалы работают в сооружениях на сжатие и очень редко – на изгиб.

Твердость камня характеризуется сопротивлением камня истиранию. Это свойство имеет существенное значение при использовании камней в дорожных покрытиях, для изготовления ступеней лестниц, плит для тротуаров, полов и т. д. Большой твердостью обладают камни горных пород изверженного происхождения (гранит, базальт), меньшей – осадочные породы (песчаники, известняки, ракушечники).

Природные камни обладают хорошей морозостойкостью.

Как уже указывалось, в результате естественных процессов (выветривания) природные каменные породы превращаются в обломочные, рыхлые породы – гравий, песок и глину, которые широко применяются в строительстве.

При изготовлении пенобетона и полистиролбетона рекомендуется использовать тонкий мытый песок (модуль крупности 0,85). Как правило, в природе очень трудно найти качественный песок такой фракции не загрязненный глиной и пылеватыми включениями, поэтому многие производители используют активацию песка с помощью дополнительного помола.

Гравий представляет собой мелкие окатанные обломки различных горных пород размером 5-150 мм. Он применяется для устройства дорожных покрытий и служит заполнителем при приготовлении бетонов.

Песок – это совокупность более мелких зерен выветрившихся горных пород размером 0,15-5 мм. Он широко используется в строительстве для приготовления растворов и бетонов.

Глина является продуктом выветривания изверженных полевошпатных горных пород и состоит из очень мелких частиц (мельче 0,005 мм). Отличительным свойством глины является пластичность, позволяющая во влажном состоянии придавать изделиям из глины любую форму. Из глины изготовляют глиняный кирпич и другие керамические изделия.

Рыхлые горные породы добываются открытым способом в карьерах с предварительным удалением пустой породы (вскрыши). Разработка карьера производится различными землеройными машинами с погрузкой на транспортные средства.

Песок из рек и озер может также добываться способом гидромеханизации. При помощи землесосов песок захватывается со дна водоема вместе с водой и подается в виде пульпы по трубам к месту отвала.

Вяжущие материалы

Некоторые материалы обладают свойством при затворении их водой переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное. Такие вещества называются вяжущими. Они используются для изготовления искусственных камней и приготовления строительных растворов. Все вяжущие вещества разделяются на две группы: воздушные, обладающие свойством твердеть на воздухе, и гидравлические, способные твердеть не только на воздухе, но и в воде.

К воздушным вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

Воздушной известью называется вяжущее, получаемое путем обжига в печах известняка или других горных пород, содержащих углекислый кальцин (CaCO3 ). При температуре выше 900°С известняк разлагается и превращается в кусковой продукт, называемый негашеной известью, или кипелкой, и углекислый газ:

При соединении с водой (гашении) кипелка (СаО) превращается в гашеную известь. При соединении с небольшим количеством воды получается порошок, называемый пушонкой, а при избытке воды – известковое молоко или тесто:

При гашении известь значительно увеличивается в объеме. Чистая, или так называемая «жирная», известь увеличивается в объеме в 3—3,5 раза и гасится быстро со значительным выделением тепла. «Тощая» известь, т. с. содержащая негасящиеся примеси, увеличивается в объеме в 1,5—2 раза и гасится менее энергично, чем жирная.

В строительстве известь применяется в виде известкового теста для приготовления растворов и в виде известкового молока для побелки стен и потолков. Свойство извести твердеть используется для изготовления искусственных камней. Процесс твердения известкового теста состоит в том, что свободно притекающий воздух отдает тесту углекислоту и уносит ее влагу, восстанавливая углекислую известь:

Известь-кипелку перевозят навалом в крытых железнодорожных вагонах и в автомобилях с закрытыми кузовами, хранят ее в закрытых складах или под навесом во избежание преждевременного гашения.

Гипсовый вяжущий материал получают из природного камня (гипса) путем умеренного обжига и тонкого помола. При затворении порошка водой происходит быстрое схватывание.

Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит и каустический доломит) являются продуктами обжига горных пород магнезита и доломита с последующим измельчением. Затворяются они водными растворами солей хлористого или сернокислого магния.

К гидравлическим вяжущим относятся различные виды цементов и гидравлическая известь. Наиболее распространенный из них портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания при температуре до 1500°С природного сырья (мергеля) или смеси, состоящей из глины и карбонатных пород.

Портландцемент представляет собой порошок серовато-зеленого цвета, объемный вес его в зависимости от степени уплотнения 1100-1600 кг/м 3. По государственному стандарту (ГОСТу) портландцемент выпускается пяти марок: 300, 400, 500, 600 и 700.

Марка цемента устанавливается по пределу прочности при сжатии образцов в виде кубиков размером 7,07×7,07х7,07 см, изготовленных тромбованием цементного раствора жесткой консистенции при соотношении веса цемента и песка (нормального вольского) 1:3, испытанных в возрасте 28 дней. В течение первых суток с момента изготовления образцы находятся во влажной воздушной среде, а затем до испытания хранятся в воде при температуре 20±3°С.

Для изготовления современных строительных материалов, как правило, используют цемент М500, М400. Основным показателем качества цемента является его активность. Активность цемента напрямую зависит от его удельной поверхности. Для увеличения активности цемента на многих предприятиях используют помол цемента, зачастую совместно с песком.

При затворении цемента водой в количестве 25-30% от веса вяжущего получается цементное тесто, обладающее свойством твердеть как на воздухе, так и в воде. После периода схватывания, в течение которого цементное тесто постепенно теряет пластичность, наступает период твердения и тесто превращается в цементный камень. Наиболее интенсивное твердение происходит в течение первого месяца. В дальнейшем прочность возрастает медленнее.

При схватывании и твердении портландцемента выделяется тепло и тем больше, чем выше его марка. Это свойство портландцемента используется при производстве работ зимой.

Портландцемент водостоек (в воде он приобретает большую прочность, чем на воздухе) и морозоустойчив. Он широко применяется в бетонных и железобетонных конструкциях.

Портландцемент транспортируется в бумажной таре по 50 кг или навалом. Он должен храниться в сухих складах с плотным полом, приподнятым на 30 см от поверхности земли. При хранении цемента навалом следует применять силосные или бункерные склады.

Для повышения устойчивости изделий из цемента против агрессивного действия грунтовых вод, содержащих вредные кислоты, щелочи и газы, применяются различные гидравлические добавки. При совместном помоле с цементным клинкером употребляют легкие осадочные породы (трепел, диатомит), легкие породы вулканического происхождения (туф, трасс), гранулированные (быстроохлажденные) доменные шлаки.

Сульфатостойкие портландцементы с гидравлическими добавками используются, главным образом, для бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций.

На основе гранулированных доменных шлаков с добавками-активизаторами изготавливают шлаковые цементы. Широко применяются в строительстве шлакопортландцементы, получаемые путем помола или тщательного смешиваний гранулированного шлака с цементным клинкером, измельченных в отдельности. Выпускаются они четырех марок: 300, 400, 500, 600. Прочность у шлакопортландцемента нарастает медленнее, чем у портландцемента. Шлакопортландцементы применяются как для надземных, так и для подземных конструкций, подвергающихся действию минерализованных агрессивных вод.

В строительстве применяется также глиноземистый цемент, получаемый в результате обжига и последующего тонкого помола смеси из высокоглинистых пород (бокситов) и известняков. Он способен быстро твердеть и приобретать высокую прочность в течение суток.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается быстрым нарастанием прочности, после 24 ч твердения предел его прочности на сжатие достигает 200 кг/см 2. Такой цемент получают соответствующим подбором химического состава клинкера, а также более тонким его помолом.

Гидрофобный цемент получают добавкой при помоле к цементному клинкеру не смачиваемого водой мылонафта. Гидрофобный цемент отличается свойством сохранять активность при длительном хранении даже в условиях влажности.

Пластифицированный цемент получается в результате введения при помоле клинкера специальных добавок (сульфитно-спиртовой барды), которые повышают пластичность смеси цемента с песком. Благодаря этому можно сократить потребное количество воды для затворения, повысить прочность и морозоустойчивость раствора и бетона.

Отделочные цементы – белые или цветные – получают из светлого цементного клинкера при помоле его с белыми гидравлическими добавками или с минеральными цветными пигментами. Белые и цветные цементы предназначаются для декоративной штукатурки, изготовления архитектурных деталей и скульптурных работ.

Расширяющийся цемент представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое в результате совместного помола клинкера глиноземистого цемента и специальных добавок. От других цементов расширяющийся отличается тем, что при твердении он расширяется, в то время как все другие, наоборот, имеют некоторую усадку, т. е. уменьшаются в объеме.

Кислотоупорный цемент получают из молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Затворяется он на жидком стекле и применяется для изготовления кислотоупорных бетонов для предприятий химической промышленности.

Самым дешевым гидравлическим вяжущим является гидравлическая известь. Получают ее при умеренном обжиге природного сырья (не доводимого до спекания) — мергелистых известняков, содержащих 8-20% глинистых веществ, или искусственных известняково-глинистых смесей. Объемный вес размолотой в порошок гидравлической извести равен 700-800 кг/м 2. При затворении водой порошкообразная гидравлическая известь гасится, образуя тесто, которое, начав твердеть на воздухе, продолжает затвердевать под водой без доступа воздуха. Предел прочности на сжатие раствора из смеси этой извести с песком состава 1:3 должен быть не менее 20 кг/см 2. Применяется гидравлическая известь для изготовления растворов при кладке как в сухих, так и во влажных местах.

К вяжущим веществам относятся также органические вяжущие материалы – битумные и дегтевые. Их называют черными вяжущими (по цвету). Битумные вяжущие представляют собой сложные смеси различных углеводородов и их производных. Во время нагревания эти материалы размягчаются, а при охлаждении вновь становятся вязкими или даже твердыми. Они почти нерастворимы в воде, но легко растворяются в некоторых органических растворителях (бензоле).

Битумы встречаются в природе в чистом виде (природные битумы), а также изготовляются при переработке нефти (нефтяные битумы).

Битумные вяжущие вещества применяются для устройства асфальто-бетонных покрытий дорог, асфальтирования тротуаров и полов, гидроизоляции, наклейки рулонных кровельных материалов и для других целей.

Дегтевые материалы получают при перегонке каменного угля. Жидкий продукт перегонки называется дегтем, твердый – пеком. Применяются они в дорожном строительстве, а также для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов.

Авторы статей «Строительная Лоция» сотрудники МП «ТЕХПРИБОР»

Векслер М. В.

Липилин А. Б.

С использованием материалов

Основы строительного дела.

Е. В. Платонов, Б. Ф. Драченко

ГОССТРОЙИЗДАТ УССР, Киев 1963.