Указания по применению природных каменных материалов при строительстве дорожных искусственных сооружений
| Вид материала | Документы |
- Правила безопасности при строительстве подземных сооружений пб 03-428-02, 4281.3kb.
- Правила безопасности при строительстве подземных сооружений пб 03-428-02, 4437.54kb.
- Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования, 820.39kb.
- Требования к выдаче свидетельств о допуске по виду работ «Возведение сооружений в морских, 49.23kb.
- Документ содержит указания по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд автомобильных, 3047.06kb.
- Методика и техника для контроля прочности бетонов и других искусственных каменных материалов, 164.95kb.
- Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к #M12291 9056429СНип, 13145.52kb.
- Приказ от 8 июня 1999 г. N 410 о совершенствовании нормативно-правового регулирования, 666.38kb.
- Приказ от 8 июня 1999 г. N 410 о совершенствовании нормативно-правового регулирования, 937.49kb.
- Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве, 1315.78kb.
УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОЖНЫХ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Общие сведения
Природные каменные материалы изготавливают из скальных и обломочных горных. пород. Скальные горные породы- с жесткими структурными связями, обладают достаточно высокой прочностью и залегают в земной коре в виде массивов или трещиноватых слоев. Обломочные горные породы- рыхлые (сыпучие), состоят из обломков скальных горных пород без прочных связей между ними и залегают в виде скоплений.
В зависимости от назначения и условий, в которых будет работать материал, применяют дробленые материалы (щебень, высевки), колотые (бутовый камень, шашку для мощения), пиленые (блоки, плиты), штучные разной степени обработки (брусчатку, шашку для мозаиковой мостовой, бортовые и облицовочные камни, блоки).
К природным обломочным горным породам относят валунный камень, гравий и песок, которые уже в природном виде могут быть использованы в строительстве. В необходимых случаях валунный камень и галечно-гравийный материал подвергают расколу, дроблению и последующему грохочению.
Природные каменные материалы, являясь продуктом механической переработки горных пород, отличаются от последних формой и размерами, а также состоянием поверхности раскола отдельностей. Поэтому их свойства зависят от состава исходной горной породы и ее состояния (трещиноватости, степени выветрелости и др.).
Скальные горные породы обладают уже в естественном состоянии рядом благоприятных физико-механических и технологических свойств. Стоимость каменных материалов относительно невысока, вследствие чего их широко применяют для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, дренажных и укрепительных устройств.
Горные породы - основное сырье для производства керамики, минеральных вяжущих (гипса, извести, цементов), искусственных каменных безобжиговых материалов, стекла, бетонов и т.д.
Горные породы как сырье для производства каменных материалов
Горные породыпредставляют собой плотные или рыхлые агрегаты, состоящие из тех или иных минералов, обломков других горных пород, в свою очередь, сложенных теми или иными минералами. Каждая горная порода обладает в своей массе относительно постоянными минералогическим и химическим составами, структурой и текстурой, характеризующими ее строение. Химический состав горных пород определяется составом слагающих породу минералов.
В геологии минералами называют природные химические соединения или самородные элементы, являющиеся продуктом физико-химических процессов, протекающих в земной коре.
Условия образования (генезиса) горных пород предопределяют их состав, строение, характер залегания, а следовательно, и свойства. По генезису все горные породы, слагающие земную кору, делят на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.
Осадочные горные породыподразделяются на:
- обломочные рыхлые (валуны, галька, гравий, пески, глины);
- обломочные сцементированные (песчаники, конгломераты, брекчии, некоторые виды опок);
- химические осадки (гипс, ангидрит, доломит, магнезит, известковые туфы);
- органогенные отложения (известняки, мел, диатомит, трепел, опока). Они образовались путем осаждения и накопления в водной или воздушной среде продуктов выветривания исходных пород с последующим уплотнением и нередко цементацией осадка. Отражая условия своего образования, осадочные горные породы, как правило, носят слоистый или пластовый характер. Это является одним из наиболее важных текстурных признаков осадочных пород и резко отличает их от магматических, залегающих массивами.
По характеру образования и составу осадочные породы делят на три группы: обломочные, химические и органогенные.
Магматические горные породыподразделяются на: глубинные (граниты, сиениты, габбро, лабрадорит); излившиеся древние (кварцевый порфир, порфирит, диабаз) и новейшие (трахит, андезит, базальт, липарит). Они образовались в результате застывания магмы как в слоях земной коры, так и на ее поверхности. Крайне разнообразные условия, при которых происходило формирование магматических горных пород, обусловливает образование пород разного минералогического состава, строения, сложения, а следовательно, и технических свойств. Поднимаясь по трещинам в земной коре, магма вследствие снижения температуры и давления постепенно застывала на глубине или значительно быстрее на поверхности, образуя магматические глубинные и излившиеся горные породы.
От быстроты охлаждения зависит и форма минералов: в условиях медленной кристаллизации образуются крупные кристаллы, а в условиях быстрой - мелкие. При очень быстром охлаждении образуются породы стекловатой структуры.Неравномерное охлаждение магмы приводит к образованию призматических, шаровых, столбчатых и других форм отдельностей.
При быстром охлаждении магмы и интенсивном выделении из нее газообразных продуктов образовались излившиеся магматические горные породы - пемза, вулканический пепел, характерной особенностью которых является пористая, ноздреватая, пемзовидная структура. В процессе уплотнения и цементации вулканических туфов образуются сцементированные обломочные магматические породы - туфы и туфолавы.
Обломочные горные породы(механические отложения) представляют собой накопления рыхлых продуктов главным образом механического разрушения прежде существовавших горных пород. Они могут быть в виде рыхлого скопления обломков разной величины и формы (валуны, галька, гравий, песок и др.), а в последующем уплотнены и сцементированы природными веществами, например глинистыми, железистыми соединениями, углекислыми солями, в результате чего образуются конгломераты, брекчии, песчаники.
Если у магматических горных пород составляющие их минералы непосредственно спаяны между собой и эта связь образуется в процессе формирования породы, то образование сцементированных осадочных горных пород происходит путем цементации зерен скелета каким-либо природным веществом и является процессом вторичным и довольно длительным. Природные цементирующие вещества (кремнистые, глинистые, железистые) часто в коллоидном состоянии неравномерно обволакивают зерно скелета, медленно заполняя в нем пустоты. По мере формирования коллоидных микросвязей происходит постепенное их уплотнение, а затем кристаллизация, при этом объем цементирующего вещества уменьшается. Уменьшение объема цементирующих веществ и неравномерное их распределение в пустотах служат причиной образования первичных пор, пустот и микротрещин в осадочных горных породах.
Мелкозернистые осадочные горные породы, сцементированные кремнистым, железистым и другими веществами, часто при попеременном высыхании и увлажнении растрескиваются на неправильные остроугольные обломки. Это объясняется неравномерным изменением объема коллоидных веществ при колебании влажности, что вызывает местные напряжения и приводит к появлению трещин.
Метаморфические горные породыподразделяются на продукты видоизменения магматических пород (гнейсы) и осадочных пород (мраморы, кварциты, кристаллические глинистые сланцы). Они образовались в результате более или менее глубокого изменения (метаморфизма) магматических или осадочных горных пород под влиянием высокой температуры и давления, а иногда и химических воздействий. Метаморфизм выражается в изменении структуры, текстуры, а иногда минералогического состава породы. Метаморфизация магматических пород, как правило, ухудшает их строительно-технические свойства за счет перекристаллизации и перегруппировки составляющих их минералов с образованием полосчатых текстур. Часто эта полосчатость переходит в сланцеватость, и тогда породы приобретают резкую анизотропию механических свойств: прочность их параллельно сланцеватости резко падает. Метаморфизация осадочных пород, наоборот, обычно улучшает их строительно-технические свойства за счет образования массивной текстуры и равномерно-зернистой структуры (например, мрамор).
Органогенные осадочные породыявляются продуктом отложения остатков различных отмерших организмов с последующим уплотнением и цементацией (большинство известняков, мел, мергель, опока, трепел и др.).
Химические осадочные породы образовались путем осаждения минеральных веществ из водных растворов с последующим их уплотнением и цементацией (некоторые известняки, доломиты, гипс, ангидрит).
Качество горных пород для производства дорожно-строительных материалов определяется их минералогическим составом, структурой и текстурой. Породы, состоящие практически из одного минерала, называют мономинеральными, или простыми.Свойства их определяются свойствами минералов, составляющих породу, а также крупностью, характером сцепления и взаимного расположения зерен. Так, кварцит, состоящий из кварцевых зерен, сцементированных кристаллическим кремнеземом, обладает свойствами, близкими к кварцу: большой прочностью и хрупкостью, устойчивостью против химического выветривания, гладким раковистым изломом с острыми ребрами.
Породы из нескольких минералов называют сложными, или полиминеральными.Свойства этих пород зависят от сложного сочетания свойств минералов, составляющих горную породу, количественного их соотношения, крупности, взаимного расположения и сцепления.
Рис.1. Разновидности структур горных пород
а- кристаллическая;
б- порфировая;
в- зернистая.
Структура (строение)горной породы определяется размером и формой кристаллов (или зерен), их сочетанием и размещением между собой. Структура отражает условия образования горной породы. Различают такие виды структур: кристаллическую, пегматитовую, порфировую, стекловатую, зернистую (рис.1). Породы одинакового минералогического состава могут иметь разную структуру, а следовательно, различные свойства. Так, гранит и кварцевый порфир обладают одинаковым минералогическим составом, но разной структурой и, наоборот, породы различного состава могут обладать одинаковой структурой, например, гранит, сиенит и диорит имеют разный минералогический состав, но одинаковую кристаллическую структуру.
Рис.2. Разновидности структур горных пород
а- оолитовая;
б- скрытокристаллическая;
в- ракушечная.
Однородная мелкозернистая структура (размер зерен мельче 3 мм) служит признаком более высокой прочности и стойкости против выветривания, хорошей колкости и полируемости по сравнению с крупнозернистыми (размер зерен 5-10 мм) и грубозернистыми (размер зерен больше 10 мм) разновидностями горных пород. Стекловатая структура без явных кристаллических образований, характерная для некоторых эффузивныхпород, определяет хрупкость породы, стекловатые разновидности которой дают при ударе неправильный раскол с гладкой поверхностью и режущими острыми ребрами. Породы со скрытокристаллической структурой отличаются большой прочностью и погодоустойчивостью. Хорошо выраженная макропорфировая структура придает породе красивый рисунок; породы с порфировой и порфировидной структурой по сравнению с равномерно кристаллическими разновидностями относительно менее стойки против выветривания.
Рис.3. Разновидности текстур горных пород
а- сланцевая;
б- ленточная;
в- землистая.
Различают также текстуру (сложение),которая характеризует наличие пор и микротрещин в породе. Текстура может быть плотная, полосчатая, сланцеватая, пористая, ячеистая (рис.3, 4). Породы с плотной текстурой более прочны и устойчивы, более теплопроводны, они лучше полируются, чем пористые разновидности. С увеличением пористости (ноздреватости, ячеистости) понижается прочность и стойкость против выветривания. Сланцеватые и тонкослоистые породы анизотропны, они сравнительно менее погодоустойчивы, а при ударах обладают тенденцией раскалываться по направлению сланцеватости.
Рис.4. Разновидности текстур горных пород
а- пемзовидная;
б- ракушечная;
в- кавернозная.
Под влиянием геологических процессов, а в верхних слоях и атмосферных факторов, массивы горных пород покрываются трещинами разного направления и размеров и как бы разбиваются на глыбы (отдельности)различной формы и величины. Различают следующие виды отдельностей: плито- или пластообразная,когда порода разбивается трещинами на плиты различной толщины параллелепипедальная и кубовидная(рис.5), ограничивающиеся взаимно перпендикулярными трещинами, проходящими примерно на одинаковом расстоянии. Наличие этих отдельностей облегчает получение штучного камня наряду с дробленым материалом. Полиэдрическая,или неправильная многогранная отдельность ограничивается трещинами, идущими в разных направлениях, разбивающими породу на неправильные куски. Такого рода отдельности позволяют получить бутовый камень, щебень, шашку для мощения.
Рис.5. Кубовидная форма залегания гранита
Шаровая, или сфероидальная,отдельность получается в результате распада на неправильные шарообразные отдельности и сопровождается концентрически скорлуповатой макроструктурой.
Рис.6. Столбчатая форма залегания базальта
Столбчатая,или призматическая, отдельность(рис.6) получается в том случае, когда порода разбивается трещинами, образующими вытянутые отдельности в виде многогранных столбиков (например, у некоторых разновидностей базальтов). Этот вид отдельностей облегчает выломку столбов и последующую их разделку.
Шаровидные отдельности затрудняют разделку породы на части требуемой формы и размера.
Породообразующие минералы
Все горные породы состоят из минералов - природных веществ, имеющих определенный химический состав и физические свойства. Большинство минералов находятся в твердом состоянии. В составе земной коры более 3000 минералов. Однако главную роль в образовании горных пород играют около 100 минералов, которые называются породообразующими.Минералы, обычно присутствующие в горных породах в незначительном количестве как примеси, носят название второстепенных (акцессорных).
Большинство минералов имеют кристаллическое строение, т.е. слагающие их атомы или ионы распределены строго закономерно, образуя кристаллическую решетку. Каждый минерал обладает более или менее постоянным химическим составом и определенным внутренним строением. Эти две важные особенности обусловливают довольно постоянные внешние, так называемые физические свойства. При определении минералов по внешним признакам в первую очередь обращается внимание на:
цвет- важнейший диагностический признак. Во многих случаях он обусловлен внутренними свойствами минералов и связан с вхождением в его состав хромофоров (Fe,. Cr, Mn). Эталонами можно считать названия цвета следующих минералов: фиолетовый - аметист, синий - азурит, зеленый - малахит, красный - киноварь, железо-черный - магнетит и др.;
блеск- способность минералов отражать своими поверхностями свет. Различают блеск: металлический - напоминает блеск поверхности свежего излома металлов; стеклянный - напоминает блеск поверхности стекла; шелковистый - характерен для минералов, имеющих волокнистое строение; жирный - поверхность минерала как бы смазана жиром; восковой; матовый;
твердость- степень сопротивления минерала внешнему механическому воздействию. Наиболее простой способ ее определения - царапание одного минерала другим. Для оценки относительной твердости принята шкала Мооса из 10 минералов, в которой каждый последующий царапает все предыдущие.
За эталоны твердости приняты следующие минералы: тальк - 1, гипс - 2, кальцит - 3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз- 10. При определении твердости минералов следует иметь в виду, что ноготь оставляет царапину на минералах с твердостью 1-2, стекло - на минералах с твердостью 4 и ниже, лезвие ножа (сталь) - на минералах с твердостью 5 и ниже;
спайность- способность минерала раскалываться по определенным направлениям с образованием ровных, гладких и блестящих поверхностей (например, слюда). При отсутствии спайности минерал под ударом раскалывается по случайным неровным поверхностям.
Все минералы в зависимости от химического состава делят на классы окислов и гидроокислов, силикатов, карбонатов, сульфатов и др. Ниже рассмотрены основные породообразующие минералы.
Класс силикатовсостоит из 800 минералов, которые являются основной составляющей магматических и метаморфических горных пород. Минералы этого класса, сходные по составу и строению, объединяют в следующие группы: полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты, слюды, глинистые минералы.
Наибольшее распространение имеют полевые шпаты- алюмосиликаты кальция (ортоклазы К
О · А1О
· 6SiO), натрия и калия (плагиоклазы). Полевые шпаты могут иметь разнообразный цвет: белый, розовый, красный, желтый, черный с синим оттенком (Лабрадор). Прочность и химическая стойкость полевых шпатов значительно ниже, чем у кварца, что приводит к выветриванию с образованием нового минерала - каолинита.К классу силикатов относится группа железисто-магнезиальных силикатов, или, как их называют из-за темного цвета, темноокрашенные минералы. Представителями этого класса являются пироксены(авгиты), амфиболы(роговые обманки, оливин). Все эти минералы обладают большой плотностью, прочностью и вязкостью, но под влиянием атмосферных воздействий сравнительно легко разлагаются. Оливин,присоединяя воду, переходит в серпентин (змеевик),увеличиваясь в объеме. Одной из разновидностей серпентина является хризотиласбест - сырье для асбестоцементной промышленности.
Слюды- алюмосиликатные минералы сложного химического состава обладают совершенной спайностью, т.е. способны расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее распространены белая калиевая слюда - мусковити черная магнезиальная - биотит.
Глинистые минералы образовались в процессе выветривания алюмосиликатных минералов. К ним относится каолинит, монтмориллонит, гидрослюда (иллит)и др. В основном они являются породообразующими минералами глин, суглинков, т.е. пород осадочного происхождения.
Класс окислов и гидроокислов(кремния и железа) - наиболее распространенный класс минералов, составляющих около 17% объема земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.
Кварц(кристаллическая форма кремнезема SiO
) входит во многие магматические, осадочные и метаморфические горные породы. Содержание кварца в полиминеральных породах, например граните, может доходить до 25% и более, а в осадочных (кварцевые пески) и метаморфических (кварцит) доходит до 100%. В природе он обычно встречается в виде 
-кварца с плотностью 2650 кг/м
и твердостью 7, имеет несовершенную спайность и раковистый излом со стеклянным или жирным блеском.Кварц - один из наиболее прочных минералов (предел прочности при сжатии достигает 2000 МПа), при обычных условиях кварц химически инертен. При нагревании
-кварц переходит в другие модификации с меньшей плотностью, что приводит к увеличению объема. Температура плавления кварца 1713 °С. В зависимости от примесей и условий образования кварц может быть прозрачным или матовым, бесцветным (горный хрусталь), фиолетовым (аметист), черным (морион), серым и др. Разновидностью кварца со скрытокристаллической структурой являются халцедон и кремень.Аморфный кремнезем- опал(SiO
· пНО) имеет твердость 5-6,5, плотность 1900-2500 кг/м и в отличие от кварца обладает большей реакционной способностью.Лимонит, или бурый железняк(2Fe
O
· пНО), чаще встречается в виде примесей в осадочных породах, придавая им бурую или красно-бурую окраску. Эти примеси снижают атмосферостойкость пород.