Materiały kamienne - Instytut Konstrukcji Budowlanych

Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Podstawowe materiały i wyroby budowlane.
Materiały kamienne.
1. Pojęcia podstawowe
Materiały kamienne stosowane w budownictwie są wynikiem naturalnego
lub sztucznego rozdrobnienia skał zwartych (litych) lub głazów narzutowych.
Materiały rozdrobnione sztucznie mogą podlegać dalszej obróbce.
Skały to jednoskładnikowe a częściej wieloskładnikowe, naturalne agregaty
mineralne, powstałe wskutek określonych procesów geologicznych. Do procesów
tych należy:
• krzepnięcie magmy lub lawy,
• sedymentacja,
• przeobrażenie jednych skał w drugie.
•
•
W zależności od spoistości wyróżnia się:
skały zwarte (lite i zwięzłe),
skały luźne (kruszywa naturalne, grunty).
Budulcem skał są minerały.
Minerały to powstałe w skorupie ziemskiej wolne pierwiastki chemiczne
lub znacznie częściej związki chemiczne, jak również roztwory stałe pierwiastków
lub związków chemicznych. Ze względu na sposób występowania minerałów
w skorupie ziemskiej dokonuje się niekiedy ich podziału na skałotwórcze
(tworzące skały skorupy ziemskiej) i złożowe (wchodzące w skład złóż).
Ze względu na liczbę minerałów wchodzących w skład skały można
wyróżnić:
• skały proste (monomineralne),
• skały złożone (polimineralne).
2. Podział skał
Podział skał ze względu na genezę:
• skały magmowe,
• skały osadowe,
• skały metamorficzne.
Skały magmowe powstały w wyniku zakrzepnięcia albo krystalizacji magmy
w głębi skorupy ziemskiej (skały głębinowe) lub lawy na powierzchni ziemi (skały
wylewne).
Skały osadowe powstały wskutek osadzania się okruchów mineralnych (produktów
wietrzenia skał magmowych), organicznych (wapiennych lub krzemionkowych skorupek
organizmów zwierzęcych i roślinnych) lub chemicznych (wytrąconych z roztworu
wodnego) w wodzie albo na powierzchni ziemi.
1
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Skały metamorficzne (przeobrażone) powstały w wyniku przekształcenia (zmiany
pierwotnej budowy i składu mineralnego) skał magmowych lub osadowych wskutek
zmiany warunków fizykochemicznych (temperatura, ciśnienie).
Szacuje się, że do głębokości 16 km skały magmowe stanowią 95%, skały osadowe
– 1%, a skały metamorficzne – 4% wszystkich skał.
Rys.1. Przemiany skał [3].
2.1. Podział i przykłady skał magmowych
Skały magmowe dzieli się na:
• głębinowe (plutoniczne),
• wylewne (wulkaniczne),
• żyłowe (nazywane obecnie skałami pośrednimi [4]).
Rys.2. Skały magmowe [3].
2
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Do skał głębinowych zalicza się m. in.: granity, sjenity, dioryty, gabro,
labradoryty.
Rys. 3. Granity (powierzchnia polerowana).
Rys. 4. Sjenit, dioryt, gabro.
3
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 5. Anortozyt – labradoryt.
Do skał wylewnych zalicza się m. in.: andezyty, bazalty, diabazy, melafiry,
porfiry, perlity.
Rys. 6. Bazalt.
Do skał pośrednich zalicza się m. in.: mikrogranitoidy, mikrosjenity,
mikrodioryty [4].
W zależności od zawartości SiO2 skały magmowe bywają dzielone na:
• kwaśne – zawierające więcej niż 65% wag. SiO 2 ,
• obojętne – zawierające 53 - 65% wag. SiO 2 ,
• zasadowe – zwierające 44 - 53% wag. SiO 2 ,
• ultrazasadowe – zawierające mniej niż 44% wag SiO 2 [4].
2.2. Podział i przykłady skał osadowych
Skały osadowe dzieli się na:
• okruchowe (klastyczne, mechaniczne),
• organiczne (biochemiczne),
• chemiczne.
4
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
•
•
•
•
Spotykany jest jednak także podział na skały:
okruchowe,
ilaste,
rezydualne (regolity),
organogeniczne i chemiczne [4].
Rys.7. Etapy powstawania większości skał osadowych [3].
Do skał okruchowych zalicza się m. in.: piaskowce, szarogłazy, tufy
wulkaniczne (np. tuf trachitowy – tras reński).
Rys. 8. Piaskowiec.
Do skał ilastych zalicz się m. im.: gliny, iły, łupki ilaste, bentonity.
Do skał organicznych zalicza się m. in.: wapienie i dolomity.
5
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 9. Wapień „pińczak”.
Rys. 10. Dolomit.
Do skał chemicznych zalicza się m. in.: alabastry, anhydryty, gipsy,
trawertyny.
Rys.11. Trawertyny.
6
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
2.3. Przykłady skał metamorficznych
Do skał metamorficznych zalicza się m. in.: gnejsy, kwarcyty, marmury
(kalcytowe i dolomitowe), serpentynity, fyllity, łupki (np. talkowe, chlorytowoserycytowe, dachówkowe).
Rys. 12. Marmury.
Rys. 13. Fyllit
7
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 14. Łupek chlorytowo-serycytowy.
3. Struktura i tekstura skał.
Strukturą skały nazywa się zespół cech określających sposób
ukształtowania, wielkość i formę oaz wzajemne powiązanie minerałów
skałotwórczych.
Ze względu na wymiar ziaren wyróżnia się:
- strukturę gruboziarnistą,
- strukturę średnioziarnistą,
- strukturę drobnoziarnistą,
- strukturę skrytoziarnistą.
Ze względu na kształtowanie minerałów wyróżnia się:
- strukturę krystaliczną,
- strukturę porfirową,
- strukturę szklistą,
- strukturę klastyczną (ziarnistą).
Tekstura skały jest to przestrzenne rozmieszczenie składników
skałotwórczych oraz stopień wypełnienia przez te składniki przestrzeni w masie
skalnej.
Ze względu na sposób ułożenia ziaren wyróżnia się:
- teksturę bezkierunkową,
- teksturę warstwową,
- teksturę kulistą,
- teksturę potokową.
Z uwagi na stopień wypełnienia przestrzeni wyróżnia się:
- teksturę zwartą,
- teksturę porowatą,
- teksturę migdałowcową.
8
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
4. Materiały kamienne
4.1. Kamienie budowlane do wznoszenia murów
- kamień łamany,
- kamień łupany,
- kamień przycinany,
- ciosy proste i licowe,
- bloki (kształtki).
Rys.15. Kamienie budowlane.
4.2. Elementy kamienne do wykładzin poziomych i pionowych
- płyty okładzinowe zewnętrzne,
- płyty okładzinowe wewnętrzne,
- płyty cokołowe zewnętrzne,
- stopnice i podstopnice.
4.3. Elementy kamienne drogowe
- kostka brukowa,
- płyty chodnikowe,
- krawężniki,
- słupki graniczne,
- oporniki.
4.4. Kruszywa budowlane
- kruszywo naturalne niekruszone,
- kruszywo naturalne kruszone (z surowca luźnego),
- kruszywo łamane zwykłe (ze skał litych),
- kruszywo łamane granulowane,
- kruszywo do lastryka,
9
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
- mączki kamienne.
Podział kruszyw ze względu na uziarnienie
Stosowany przez wiele lat podział kruszyw na:
- kruszywo drobne – o wielkości ziarna do 4 mm,
- kruszywo grube – o wielkości ziarna 4 - 63 mm,
- kruszywo bardzo grube – o wielkość ziarna 63 - 250 mm,
zastąpiony został nowym podziałem, w którym w zależności od wymiarów ziaren
wyróżnia się kruszywa:
• drobne – o wielkości ziaren D ≤ 4 mm; jest to kruszywo naturalnie rozdrobnione lub
powstałe z przetworzenia kruszywa sztucznego;
• grube – o wielkości ziaren oznaczonej wymiarem górnego sita D ≥ 4 mm i dolnego
d ≥ 2 mm;
• naturalne 0/8 mm (d/D, gdzie d – wymiar dolnego, mniejszego sita zestawu
normowego, D – wymiar górnego większego sita), pochodzenia polodowcowego albo
rzecznego, mające D ≤ 8 mm;
• wypełniające – kruszywo, którego większość ziaren przechodzi przez sito 0,063 mm
i które może być dodawane do materiałów budowlanych w celu uzyskania pewnych
właściwości;
• inne kruszywa wytworzone przemieszanie kruszywa drobnego i grubego.
Kruszywa naturalne niekruszone
- piasek zwykły
0 - 2 mm
(k. drobne)
- żwir
2 - 63 mm
- pospółka
0 - 63 mm
(piasek + żwir)
- otoczaki
63 - 250 mm
Kruszywa łamane zwykłe
- miał
0 - 4 mm
- kliniec
4 - 31,5 mm
- tłuczeń
31,5 - 63 mm
- niesort
(miał + kliniec + tłuczeń)
- kamień łamany
63 - 250 mm
Krzywa przesiewu kruszywa
Uziarnienie kruszywa charakteryzuje tzw. krzywa przesiewu. Próbkę
kruszywa przesiewa się przez zestaw sit o bokach oczka 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2,
4 mm itd. Pozostałość na każdym sicie waży się i oblicza procentową zawartość
frakcji w całej próbce. Otrzymane wartości oznacza się punktem na wykresie.
Linia łącząca tak wyznaczone punkty stanowi krzywą przesiewu danego kruszywa.
10
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 16. Krzywe przesiewu kruszywa.
Rys. 17. Zestawy sit.
4.5. Inne wyroby z materiałów skalnych (kamiennych)
Do wyrobów tych można zaliczyć: parapety, elementy kominków,
ościeżnice, umywalki, brodziki, zlewozmywaki, płyty warstwowe, płyty
z topionego bazaltu, wełnę skalną, konglomeraty (aglomarmury), terazzo
(lastryko), pokrycia dachowe, posypki papowe, mączki kamienne, kruszywa
barwione, kruszywa sztuczne z surowców mineralnych poddanych obróbce
termicznej, bariery i elementy uszczelniające.
11
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Pokrycia dachowe z łupka
Rys.18. Łupek dachowy [].
Rys. 19. Przykłady pokryć dachowych z łupka [].
•
Posypki papowe, do pokryć bezspoinowych i na blachy dachówkowe
Posypki mineralne są stosowane do zabezpieczania powierzchni powłoki
przed bezpośrednim działaniem czynników atmosferycznych. W wyniku odbijania
12
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
promieni słonecznych, papa w okresie letnim nie ulega nadmiernemu nagrzewaniu,
a przez to zwiększa się jej trwałość.
Posypka chroni papę nie tylko przed promieniowaniem słonecznym, ale
także przed wiatrem, deszczem, wahaniami temperatury i rozmiękczaniem.
Decyduje też o estetyce pokrycia. W papach podkładowych posypka jest
drobnoziarnista (piasek kwarcowy, posypka talkowa), nawierzchniowych –
gruboziarnista (naturalny lub barwiony łupek najczęściej chlorytowo-serycytowy
lub fyllitowy, ceramizowany granulat bazaltowy).
W przypadku blach dachowych imitujących dachówkę stosuje się posypki
ceramiczne lub naturalne mineralne (np. kwarcową lub z łupka). Oprócz
podniesienia walorów estetycznych i zwiększenia odporności na wpływy
atmosferyczne, posypka poprawia akustyką tłumiąc odgłos padającego deszczu.
Rys. 20. Blachodachówka z posypką mineralną [].
•
Zlewozmywaki, umywalki, brodziki
Rys.21. Zlewozmywak i umywalka z kamienia naturalnego.
13
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys.22. Ościeżnica drzwiowa.
•
Płyty warstwowe
Płyty warstwowe redukują ciężar kamiennych elementów okładzinowych,
co znacznie rozszerza możliwość ich stosowania w miejscach, gdzie nie jest
zalecane zastosowanie okładzin o znacznej wadze (jachty, statki, wnętrza wind,
elementy mebli itp.) [].
Rys. 23. Płyty warstwowe [].
Rys.24. Płyty warstwowe []; 1 – marmur wysokogatunkowy, 2 – włóknina
nasączona klejem, 3 – marmur niskogatunkowy.
14
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
•
Płyty z topionego bazaltu
Rys. 25. Płyty z topionego bazaltu [5].
Rys. 26. Przykład zastosowania płyt z topionego bazaltu w kolektorze
kanalizacyjnym [6].
•
Wełna mineralna (skalna)
Wełna mineralna produkowana jest z włókien otrzymywanych w procesie
rozwłóknienia stopionych surowców skalnych (skał bazaltowych) i żużla
wielkopiecowego. Włókna łączy się lepiszczem (najczęściej żywicą fenolowo15
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
formaldehydową z dodatkiem oleju), prasuje, formuje i przycina do wymaganych
wymiarów.
Rys. 27. Płyty z wełny mineralnej (skalnej).
•
Konglomeraty
Konglomerat to produkt zawierający ok. 95% kamienia naturalnego i 5%
żywicy poliestrowej jako spoiwa.
Produkuje się konglomeraty:
- marmurowe,
- kwarcowo-granitowe.
Rys. 28. Konglomeraty - aglomarmury.
•
Terrazzo (lastryko, lastrico)
Sztuczny kamień otrzymywany z mieszaniny zaczynu cementowego
i kolorowego grysu kamiennego, dający się po stwardnieniu szlifować i
polerować.
16
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 29. Terrazo (lastryko).
Rys. 30. Terrazo – zastosowanie.
17
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
•
Fot. Kreisel Technika Budowlana
Kruszywa barwione
W budownictwie wykorzystuje się przede wszystkim piaski kwarcowe,
barwione przy użyciu żywic epoksydowych i poliuretanowych. Znajdują one
zastosowanie przy wykonywaniu tzw. tynków mozaikowych (uziarnienie od ok.
1 mm do ok. 3 mm) i posadzek przemysłowych.
Rys. 31. Piaski barwione w tynkach mozaikowych.
•
Kruszywa lekkie pochodzenia mineralnego
Do kruszyw lekkich zalicza się kruszywa porowate pochodzenia
mineralnego o gęstości ziarn nie większej niż 2000 kg/m 3 lub o gęstości
nasypowej w stanie luźnym nie większej niż 1200 kg/m 3 . Kruszywa te dzieli się na
kruszywa naturalne, tj. takie, które poza obróbką mechaniczną nie zostały
poddane żadnej innej obróbce (np. węglanoporyt) oraz kruszywa sztuczne –
uzyskane w wyniku procesu przemysłowego, obejmującego termiczną lub inną
modyfikację.
Do kruszyw sztucznych z surowców mineralnych poddanych obróbce
termicznej zalicza się:
keramzyt – otrzymywany przez wypalenie łatwotopliwych pęczniejących
surowców ilastych, najczęściej w piecach obrotowych,
perlitoporyt – otrzymywany przez ekspandowanie w wysokiej temperaturze
rozdrobnionego perlitu,
wermikulitoporyt – otrzymywany przez ekspandowanie w wysokiej temperaturze
rozdrobnionego wermikulitu.
18
Fot. Leca
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 32. Keramzyt frakcji 10-20 mm.
Rys. 33. Perlit, surowy perlit mielony (proszek o ciemnej barwie) i perlit
ekspandowany [].
Rys. 34. Perlit ekspandowany (powiększenie) różnych klas [].
19
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
•
Mączki kamienne
Wykorzystywane są mączki wapienne, marmurowe, kwarcowe.
Stosowane są m.in. jako:
- wypełniacze do mas bitumicznych,
- wypełniacze do zapraw budowlanych,
- wypełniacze do uszczelniających wały przeciwpowodziowe mas cementowobentonitowych,
- sorbenty do oczyszczania spalin.
•
Bariery i elementy uszczelniające
Stosowane
są
materiały
zawierające
modyfikowany
bentonit.
Wykorzystywane są np.:
- maty bentonitowe - stosowane w geotechnice i ochronie środowiska jako bariera
przeciwwodna w ochronie wód gruntowych; przeznaczone są do uszczelniania
składowisk odpadów, zbiorników i zapór ziemnych, kanałów, torowisk drogowych
i kolejowych w obszarach chronionych, obiektów magazynowych substancji
ropopochodnych i innych,
- panele bentonitowe - stosowane na zewnętrznych powierzchniach ścian i pod
płytami fundamentowymi,
- taśmy bentonitowe - stosowane do pionowych i poziomych przerw
technologicznych w betonowaniu, w połączeniach nowych i starych elementów
konstrukcji, na nieregularnych powierzchniach, wokół osadzonych w konstrukcji
rur instalacyjnych, itp.,
- masy iłowe - stosowane do uszczelniania elementów podziemnych metodą
iniekcji.
20
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
Rys. 35. Przykłady zastosowania bentonitowych materiałów uszczelniających
5. Trwałość wyrobów z kamienia naturalnego
Na kamień używany w budownictwie działają czynniki fizyczne (woda,
zmiany temperatury), chemiczne (rozpuszczalne związki chemiczne zawarte
w wodzie) i biologiczne (bakterie i flora). Czynniki te przeważnie występują
jednocześnie, powodując niszczenie materiału kamiennego (występowanie
ciemnych plam, kruszenie, łuszczenie, pękanie, naloty oraz rozsypywanie się
w sypki piasek).
W celu ograniczenia procesów wietrzenia należy:
- dostosować rozwiązania projektowe do możliwości, jakie daje określony rodzaj
materiału kamiennego,
- stosować na elewacji położenie kamienia zgodne z jego pierwotnym ułożeniem
w złożu, gdyż zdolność kapilarnego przepływu wody zmienia się w zależności od
położenia kamienia; często również może występować w kamieniu uwarstwienie,
a umiejscowienie kamienia na elewacji w położeniu prostopadłym lub ukośnym do
jego położenia w złożu może prowadzić do ścinania i uszkodzeń elementu,
- nie stosować na jednej płaszczyźnie kamieni o różnej porowatości [10].
21
Podstawowe materiały i wyroby budowlane. Materiały kamienne. Dr inż. Mariusz Gaczek
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
W. Żenczykowski, Budownictwo ogólne, t..1: Materiały i wyroby budowlane.
Arkady, Warszawa 1976.
W. Grabowski, Naturalne materiały kamienne, [w:] Budownictwo ogólne, t.1,
materiały i wyroby budowlane, red. B. Stefańczyk. Arkady, Warszawa 2005.
W. Schumann, Stenie + Mineralien. BLV Verlagsgesellschaft mbH, München
1975.
T. Doniecki, Kamienie – petrologiczny serwis internetowy,
www.kamienie.alte.pl
Eutit France
www.eutit-france.com
Hermes Technologie,
http://www.hermes-technologie.de/germ/entsorgung/eutit.html
Kreisel Technika Budowlana,
www.kreisel.pl
E. Osiecka, Materiały budowlane, Kamień – ceramika – szkło. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.
E. Osiecka, Materiały budowlane, Spoiwa mineralne – kruszywa. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
B. Gierych, Kamień i wyroby kamienne, [w:] Poradnik inżyniera i technika
budowlanego, t.2, materiały i wyroby budowlane. Arkady, Warszawa 1982.
22