Гранит. Физико-механические свойства

Гранит (итал. granito, от лат. granum — зерно) — кислая магматическая горная порода. Гранит — это один из самых распространенных природных нерудных мате­риа­лов. Гра­нит повышенной твердости является платформой практически для всех континентов.

Граниты играют огромную роль в строении коры континентов Земли. Но в отличие от магматических пород основного состава (габбро, базальт и др.), аналоги которых распространены на Луне и планетах земной группы, граниты встречаются только на нашей планете и пока не установлены среди метеоритов или на других планетах солнечной системы. Существует выражение «Гранит — визитная карточка Земли».

Гранит — глубинная горная порода сложная по своему составу. Он в основном состоит из кварца (20…40)%, ортоклаза (40…70)%, слюды и других минералов (5…20)%. Цвет гранита определяется цветом ортоклаза и бывает разнообразных оттенков. Структура гранита зернисто-кристаллическая. Мелкозернистые граниты равномернее истираются, лучше сопротивляются механическим воздействиям, более атмосферостойкие, чем крупнозернистые. В строительных конструкциях граниты отличаются морозостойкостью и долговечностью вследствие малой пористости и незначительного водопоглощения, а также хорошей сопротивляемости коррозии. Граниты хорошо шлифуются и полируются, различные сочетания отдельных компонентов и изменение структуры обуславливают разнообразие цветов, оттенков и декоративного рисунка гранитов, поэтому граниты являются наиболее широко распространенным облицовочным декоративным материалом. Граниты позволяют изготавливать изделия больших размеров до 3 м.

К недостаткам можно отнести значительные трудозатраты на добычу и обработку, высокую стоимость изделий. Известен еще один существенный недостаток гранита. Это наличие естественного радиоактивного фона, обусловленного содержанием в этой породе минералов с примесями редкоземельных элементов (цезия, лантана и др.). Бытующее мнение, что гранит «накапливает радиацию», ошибочно, радиоактивность натурального камня именно естественная. Класс радиационного фона породы определяется на стадии утверждения запасов месторождения и обязательно отмечается в паспорте месторождения.

В гранитах первого класса удельная активность радионуклидов не должна превышать 370 Бк/кг. Эти породы можно использовать без ограничений при любых видах строительных работ. К первому классу относят почти все граниты, добываемые в России и странах СНГ. Второй класс (370…740) Бк/кг разрешен для промышленного и дорожного строительства, а также наружной облицовки жилых зданий. Сюда относят Токовское месторождение (Украина), гранит «Возрождение» (Ленинградская область) и привозимые из Финляндии Rossa Marina, Lappia Blue, Balmoral Red. Минералы, относимые к третьей группе (менее 2800 Бк/кг), можно использовать только для дорожного строительства вне населенных пунктов, а при удельной активности более 2800 Бк/кг — лишь по согласованию с Госсанэпиднадзором. Компания, продающая гранитные породы, обязана иметь свидетельство радиационного качества товара с указанием номера каждой партии.

Физические свойства — это внутренние, присущие данному природному камню осо­бенности, обуславливающие его различие или общность с другими природ­ными камнями и проявляющиеся как ответная реакция природных камней на воз­действие на нее внеш­них физических факторов. Минералы, входящие в состав горных пород, определяют физико-механические свойства.

Для природного камня, применяемого в строительстве, важны такие характеристики, как прочность, долговечность, обрабатываемость, истираемость, пористость, хрупкость, морозоустойчивость и декоративность.

Декоративность натурального природного камня определяется его цветом, рисунком и структурой, а также фактурой лицевой поверхности. Декоративные свойства облицовочного камня придают наружным и внутренним ин­терьерам свою неповторимую индивидуальность.

К декоративным свойствам камня относятся:

а) цвет (окраска) горной породы;

б) наличие рисунка;

в) структурно-текстурные особенности.

Цвет зависит от состава, входящих в горную породу минералов и от их сочетаний:

• граниты — красные,розово-серые,серые;
• габбронориты — черные;
• мраморы — белые, серые, многоцветные.

В цветовом отношении гранит, по сравнению с мрамором, — сдержанный, холодный природный камень.

Наличие рисунка создается:

• расположением минералов (пегматоидная текстура гранита);
• наличием гематитовых прожилков на белом фоне мелкозернистого мра­мора или ха­рактерных «озер» более светлых карбонатов.

Структурно-текстурные особенности увеличивают декоративность горной по­роды:

• тонкозернистая текстура мрамора;
• порфировидные выделения полевых шпатов;
• мелкозернистость кварцита.

По декоративности природные камни подразделяются на 4 класса:

• высокодекоративные;
• декоративные;
• малодекоративные;
• недекоративные.

Декоративные особенности гранитоидов определяется окраской кварца и по­левых шпатов, их распределением в породе, наличием темноцветных минералов. От окраски полевых шпатов зависит цвет гранита — серый, розовый и красный, а иногда смесь серого с розовым (месторождение Возрождение). Для повышения светлости применяют ударную обработку.

Для производства облицовочных изделий используются горные породы, об­ла­дающие декоративными свойствами, достаточной прочностью и отвечающие тре­бованием Госу­дарственных стандартов. Явное предпочтение пород глу­бинного происхождения объяс­няется их относительной долговечностью.

Долговечность — способность натурального природного камня длительное время сопротивляться атмосферным воздействиям, сохраняя при этом первоначальные свойства и внешний вид. Долговечность, характеризует стойкость материла против действия различных разрушающих его факторов, основными из которых следует считать морозное, кислотное, солевое и механическое выветривание, попеременное высушивание и увлажнение. Чем недолговечнее материал, тем более комфортные условия для него должны быть созданы (например, внутри помещения, а не снаружи, на стене, а не на полу).

По долговечности природные камни также подразделяются на 4 класса:

• весьма долговечные — кварциты, мелкозернистые граниты и базальты;
• долговечные — средне- и крупнозернистые граниты, габбро, порфиры, плотные песчаники, туфы, травертины, известняки;
• относительно долговечные — белые классические мраморы, песчаники, пористые известняки, мраморизованные известняки;
• недолговечные — некоторые цветные мраморы и мраморизованные известняки, природные брекчии.

Наиболее долговечны мелкозернистые породы натурального природного камня с размером зерен до 2 мм

Плотность — это масса единичного объема этого вещества. От плотности зависит вес изделия. Плотность камня зависит от его минерального состава и пористости породы.

По плотности камни делят на:

• легкие (с плотностью до 2200 кг/м3);
• тяжелые (с плотностью более 2200 кг/м3).

Пористость — определяется как процентное отношение объема пор ко всему объему камня. Наименьшую пористость имеют кварциты (0,7%) и граниты (от 1% до 3,3%). Наибольшую — туфы (41%) и известняки (до 30%).

Пористость также является одной из важнейших качественных характеристик камня, это основной показатель долговечности изделия из него. От пористости зависит водопоглощение, соле- и кислотостойкость. А именно они влияют на долговечность материала. Кроме этого, общая пористость определяет прочностные и упругие параметры, теплопроводность, полируемость, обрабатываемость, декоративность, сцепление камня с различными вяжущими и другие качественные показатели.

С повышением общей пористости снижаются прочностные характеристики, упругость пород, объемная масса, ухудшается полируемость материала, но также уменьшается вес изделия, улучшается обрабатываемость камня.

Горные породы по пористости (Ро) делят на:

• низкопористые (Ро < 5%) — кварциты, габбро, мрамор;
• среднепористые (5% < Ро < 20%) — граниты;
• высокопористые (20% < Ро < 40%) — базальты, известняки;
• породы весьма высокой пористости (Ро > 40%) — травертины.

Водопоглощение выражает степень заполнения объема камня водой. Оно определяется как процентное отношение массы образца камня, насыщенного водой, к его массе в абсолютно сухом состоянии.

От него в совокупности с минеральным составом зависит соле- и кислотостойкость камня. А количественное отношение водопоглощения к объему пор и трещин напрямую влияет на показатели морозостойкости, т.к. вода в порах при замерзании увеличивает свой объем на 9%, создавая мощное кристаллизационное давление.

Та же вода, всегда несущая растворы солей, проникая в поры материалов, после высыхания оставляет в них концентрированные растворы этих солей, из которых начинается рост кристаллов, создавая огромное кристаллизационное давление. При высоком водопоглощении и низкой пористости, под этим давлением начинается образование трещин в материале. А вот в случае обилия пор кристаллизационное давление разгружается в существующих порах без образования новых трещин (например, известняк).

Кислотостойкость — свойство пород и материалов реагировать с различными кислотами, с разрушением или преобразованием пород. С кислотами реагируют только карбонатные породы (мраморы и известняки). При контакте с серной, фосфорной и азотной кислотой они образуют нерастворимые минералы, которые создают плотную водонепроницаемую защитную пленку на экстерьерных конструкциях.

Мраморы, травертины, известняки и доломиты разрушаются от действия соляной кислоты, которая очень редка в природе в свободном виде, но в городах применяющих хлориды для таяния снегов этот фактор очень сильно увеличивается.

Потому, для экстерьерных конструкций лучше использовать породы, которые не разрушаются под воздействием неблагоприятных факторов и долго сохраняют внешний вид (гранит, травертин, доломит, известняк). Известняк и травертин хороши на цокольных конструкциях, которые связаны с движением поверхностных вод, переносящих соли. Во всех древних крупных мегаполисах в долинах рек (Лондон, Париж, Кельн, Москва) все цоколи зданий сложены из известняка. В Москве, кроме того, из известняка сложен цоколь стен и башен Московского Кремля. Для цоколя, естественно, можно использовать гранит, но в этом случае движение солей идет по кладочным швам. В старинных зданиях Санкт-Петербурга гранитные глыбы цоколей крепились безрастворно — механическим способом, проливкой свинца.

Полируемость — важное качество, зависящее от пористости. Полируемость — это «предельный блеск» материала. Полировка поверхностей камня увеличивает долговечность изделия, раскрывает декоративные свойства породы. Большая долговечность полированной поверхности достигается за счет меньшего сцепления частиц воды с поверхностью, что уменьшает водопоглощение изделия. Каждая порода и материал характеризуются предельным блеском, после достижения, которого качества полированной фактуры в процессе обработки не улучшается.

Классификация по полируемости:

• отличная — (170…200) единиц — полнокристаллические мраморы, мелкозернистые граниты, кварциты;
• хорошая — (140…170) единиц — граниты, мраморизованные известняки;
• средняя — (70…140) единиц — базальты, известняки, доломиты;
• плохая — менее 70 единиц — туфы, рыхлые известняки.

При этом 200 единиц — это предельный блеск стекла, эталон.

Морозостойкость характеризует способность насыщенного водой камня выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного понижения прочности. Для испытания на морозостойкость изготавливают образцы в виде кубиков размером 50×50×50 мм. Затем их насыщают водой при комнатной температуре и помещают на несколько часов в холодильную камеру, после чего оттаивают, вновь насыщают водой и опять помещают в холодильную камеру, повторяя цикл испытаний 25 раз (ГОСТ 7025 — 67).

Важнейшими из механических свойств являются прочность, твердость и абразивность.

Прочность — это способность противостоять внешним механическим воздейст­виям. Она зависит от минерального состава, формы зерен, структуры, текстуры, пористости, трещиноватости и т.п.

Она предусматривает подразделение природных камней на 3 группы в зави­симости от величины предела прочности на сжатие (в сухом состоянии):

• прочные — 80 МПа и выше;
• средней прочности — (40…80) МПа;
• низкопрочные — до 40 МПа.

Твердость — это свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других твер­дых тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии.

От твердости зависит износостойкость камня. Чем тверже материал, тем дольше он служит — особенно, в качестве напольного покрытия.

В зависимости от твердости минералов, входящих в состав горной породы, определяющих в значительной степени ее свойства, камни условно делятся на три группы:

• высокопрочные или твердые (кварцит, гранит, габбро);
• средней твердости (мрамор, известняк, туф, доломит);
• мягкие (рыхлые известняки, травертин).

Показатель твердости используют при оптимизации режимов эксплуатации породо­разрушающих инструментов, обосновании нормативов производительности раз­личных конст­рукций инструментов и т. д.

Абразивность — способность камня изнашивать породоразрушающий инстру­мент, за счет истирания его при трении. Абразивность зависит от наличия в камне минеральных зерен, их твердости, количественного соотношения и характера связи между ними. Крупнозернистые породы с остроугольными зернами имеют более высокую абразивность, чем мелкозернистые с окатанной формой зерен.

Каждая разновидность гранитоидов и других глубинных пород характеризуется и тех­нологическими свойствами, определяю­щими их предпочтительность для производства облицовочных изделий. Такое свойство как шлифуемость камня, оценивается показате­лями истираемости, и камень классифицируют на 4 группы:

• I — труднообрабатываемая (кварциты, граниты, габбро);
• II — средней трудности обработки (базальты);
• III — сравнительно легко обрабатываемая (мраморы);
• IV — легкообрабатываемая (доломиты, известняки).

Большое значение при этой оценке имеют минеральный состав и структурные свой­ства по­род.

Чем выше содержание кварца в составе гранита, тем он труднее поддается абра­зив­ной обработке на всех ее стадиях. Естест­венно, что более предпочтите­лен гранит с меньшим содержанием зерен кварца. Наличие биотита, особенно в форме крупных кри­сталлов, приводит к частичному выкрашиванию его при обра­ботке, а при выветривании — к образованию на пли­тах бурых пятен. Наличие та­кого минерала как лимонит, под воз­действием атмо­сферных агентов, образует, ржавые пятна и потеки на плитах.

Большое значение имеют и размеры кристаллов, в том числе полевых шпатов, осо­бенно при фасонной обработке. Мелкозернистые граниты обрабатываются с меньшими трудовыми затратами.

Истираемость — способность материала изменяться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Она показывает стойкость материала к абразивному износу и оценивается потерей массы материала, отнесенной к единице его площади, или уменьшением толщины материала. Чем выше истираемость, тем менее износостоек материал.

Проступи лестниц, полы, площадки подвергаются истиранию. Поэтому горные породы и материалы, применяемые в облицовке истирающихся конструкций, делят на 5 групп — в зависимости от «абсолютных значений истираемости на связном абразиве и натурного износа от интенсивности людского потока».

Классификация пород по истираемости сделана на предположении «о прохождении по полам человекопотока в 1 миллион человек за год»:

• 1-я группа — кварциты и породы типа гранита — износ менее 0,12 мм в год;
• 2-я группа — плотные базальты, плотные песчаники, микрокристаллический мрамор — износ (0,12…0,35) мм в год;
• 3-я группа — рыхлые базальты и мрамор, песчаники, доломиты — износ (0,35…0.60) мм в год;
• 4-я группа — мраморизованные известняки (т.е. многие цветные мраморы), травертины, известняки и туфы — износ (0,60…1,50) мм в год,
• 5-я группа — рыхлые известняки и иные породы — (1,50…2,50) мм за год.

Среднестатистическая интенсивность людского потока в год:

• транспортные артерии (метрополитен, вокзалы) — 4 млн. человек;
• супермаркеты, переходные зоны, переходы, стадионы — 1 млн. человек;
• общественные здания (магазины, школы, институты) — 500 тыс. человек;
• гостиницы, театры — 200 тыс. человек;
• подъезды многоэтажных зданий — 100 тыс. человек;
• личные апартаменты — 20 тыс. человек.

И если, например, уложить травертин на пол станции метро, его износ составит до 4 мм в год. Лестница из мрамора в личных апартаментах будет «терять» до 0.02 мм в год и, теоретически, прослужит 500 лет.

Мелкозернистые граниты равномернее истираются, лучше сопротивляются механическим воздействиям, более атмосферостойкие, чем крупнозернистые.