Природные строительные материалы (Камни)

Применяемые в строительстве стройматериалы можно подразделить на неорганические и органические (табл. 1).

В качестве природных строительных камней называют все встречающиеся на земле камни. Для строительства важными являются их состав и их свойства.

Возникновение природных строительных камней

Возраст Земли насчитывает 5—10 миллиардов лет. Предполагается, что она возникла при взрыве в космосе в виде газообразного или жидкого огненного шара. За счет излучения тепла в мировое пространство его поверхность охладилась и стала твердой. Земля построена в виде оболочек (рис. 1).

Рис. 1. Строение Земли

Ядро Земли имеет диаметр 6700 км и состоит преимущественно из металлов никеля и железа. Имеющие место в нем температуры оцениваются до 20000 °С, а давление — до 3,5 миллиона бар. Плотность ядра Земли составляет 11 кг/дм³. Промежуточный слой толщиной около 1700 км и плотностью от 5 до 6,4 кг/дм³ состоит в основном из базовых материалов кремния, магния, хрома, железа, никеля и марганца. Мантия Земли имеет толщину приблизительно 1200 км и состоит преимущественно из соединений кремния и магния.

Земная кора — это наружный слой толщиной около 120 км. Он состоит преимущественно из соединений кремния и алюминия с кислородом. Плотность его составляет от 2,6 до 3,3 кг/дм^{3. Поверхность Земли образует кору толщиной около 40 км. Она состоит из плитоподобного прочного камня и плавает на жидкой магме (расплавленном камне). Внутренние и наружные силы действуют на земную поверхность, от чего она постоянно изменяет форму и изменяется по составу. Внутренние силы вызывают поднятие и опускание земной коры, образование складок и разломов. 11о этой причине, например, одинаковые камни залегают на разной глубине. Это ведет к смещению слоев камня (рис. 2).}

Рис. 2. Изменение формы за счет внутренних сил

Внешние силы вызываются в основном воздействием воды и ветра. Они размывают земную поверхность и образуют наносы. Разрушающим действием обладает текучая вода и дождь, так как они размывают материалы. Дождь и солнечное тепло вызывают выветривание камня. Замерзающая вода разрывает камень. Ветер уносит мелкие частицы камня и откладывает их в других местах. Однако текущая вода может образовывать наносы. Она несет с собой ил, песок и гравий (рис. 3). Ледники собирают большие камни-валуны в морены. Отмершие растения и животные также способствуют созданию слоев грунта.

Рис. 3. Возникновение природных камней

Виды природных камней

Природные камин (горные породы) классифицируются по способу их образования на затвердевшие, осадочные и преобразованные (метаморфические). Они могуч применяться в строительстве как в обработанном, так и в необработанном виде.

Затвердевшие горные породы

Затвердевшие трпые породы (магматические породы) образуются, когда жидкая порода (магма) в определенных местах проникает из ядра Земли на поверхность. Эти места называют вулканами. Поднимающаяся по жерлу вулкана и выливающаяся из кратера магма охлаждается на воздухе и застывает в виде камня (рис. 4). Этот камень называют излившейся горной породой ( табл. 2). При этом могут возникнуть особые формы горных пород, как, например, шестигранные базальтовые колонны (рис. 5). Вследствие медленного охлаждения магмы в жерле вулкана и в ходах этого жерла образуются глубинные породы и жильная порода. Часть магмы может выбрасываться в воздух при извержении вулкана, там охлаждаться и осаживаться вниз в виде шлакоподобной породы. Ее называют изверженной породой.

Рис. 4. Образование затвердевших горных пород

Рис. 5. Базальтовые колонны

Осадочные горные породы

Осадочные горные породы образуются из затвердевших горных пород. Они разрушаются дождем, ветром, морозом и большими перепадами температур и измельчаются (выветривание). Сначала выветривается самый верхний слой затвердевшей породы. Он уносится водой или ветром и откладывается в пониженных местах в виде осадочной породы (табл. 3). С помощью этого процесса многие слои могут уноситься и в других местах откладываться в обратной последовательности слоев (рис. 6). Верхний осадочный слой называют грунтом. При этом различают гумус, глину, мергель, песок и гравий.

Рис. 6. Образование осадочных горных пород

Метаморфические горные породы

Преобразованные горные породы (метаморфические горные породы) образуются при высоком давлении и высоких температурах из затвердевших или из осадочных горных пород (табл. 4). Так, например, из

• затвердевшей породы → метаморфическая порода
гранит → гнейс
• осадочной породы → метаморфическая порода
известняк → мрамор песчаник → кварцит глина → глиняный шифер (рис. 7)

Рис. 7. Образование метаморфических горных пород

Состав природных камней

Природные камни состоят из минералов. Они прочные, в большинстве случаев кристаллические, определяются по внешнему виду и определяют свойства природных камней в зависимости от вида, количества и состава минералов.

Важнейшими минералами являются:

• кварц: составная часть песка (кварцевого песка) и песчаника;
• известковой шпат: составная часть известняка, мела и мрамора;
• полевой шпат: составная часть гранита, порфира, базальта и шифера;
• глина: с известью — мергель; с песком — суглинок;
• слюда: составная часть гранита.

Рис. 8. Кварцевый песок

Свойства природных камней

Выбор и применение природных камней зависят от различных свойств этих камней, но также и от их стоимости. Она зависит от того, как часто встречаются эти камни в природе, от их технических свойств и от их художественных качеств.

• Прочность зависит от плотности смеси. Природные камни часто имеют большую плотность и поэтому подходят для частей зданий, несущих большую сжимающую нагрузку. Кроме того, камни имеют большой вес. Их твердость может быть оценена с помощью шкалы твердости Моха.
• Устойчивость против выветривания зависит от пористости камня. Пористые камни, как, например, определенные песчаники, имеют большую способность всасывания влаги (гигроскопичность). Мороз и выветривание могут их разрушить. При неправильной установке таких камней в конструкции стены может образоваться конденсат. Это также ведет к строительным повреждениям. Двуокись углерода (С0₂) и двуокись серы (S0₂) во время дождя могут растворяться и образовывать кислоты, которые разрушают природный камень. Изменение температур может привести к образованию трещин. Мхи, лишайники, трава и корни деревьев прорастают на мокрых камнях, в мельчайшие трещины и могут повредить природные камни, разрывая их.
• Обрабатываемость зависит от плотности и твердости. Бывают виды природных камней, которые можно легко пилить в мокром состоянии (травертин). Особо твердые камни, например базальт или гранит, требуют больших затрат при их обработке. Их можно обрабатывать с помощью инструментов с большими перерывами в работе. Вследствие их плотного состава твердые природные камни можно полировать. При этом получается гладкая, зеркальная поверхность.
• Поверхность может иметь различную структуру.
• Цвет, а также текстура и эффекты могут быть очень многообразными (рис. 9).

Рис. 9. Структура поверхности природных камней