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
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
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 SiO 2 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
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
Rys. 9. Wapień pińczak. Rys. 10. Dolomit. Do skał chemicznych zalicza się m. in.: alabastry, anhydryty, gipsy, trawertyny. Rys.11. Trawertyny. 6
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
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
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
- 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
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
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
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
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
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 fenolowo- 15
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
Rys. 29. Terrazo (lastryko). Rys. 30. Terrazo zastosowanie. 17
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. Fot. Kreisel Technika Budowlana 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 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
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
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
[1] W. Żenczykowski, Budownictwo ogólne, t..1: Materiały i wyroby budowlane. Arkady, Warszawa 1976. [2] W. Grabowski, Naturalne materiały kamienne, [w:] Budownictwo ogólne, t.1, materiały i wyroby budowlane, red. B. Stefańczyk. Arkady, Warszawa 2005. [3] W. Schumann, Stenie + Mineralien. BLV Verlagsgesellschaft mbh, München 1975. [4] T. Doniecki, Kamienie petrologiczny serwis internetowy, www.kamienie.alte.pl [5] Eutit France www.eutit-france.com [6] Hermes Technologie, http://www.hermes-technologie.de/germ/entsorgung/eutit.html [7] Kreisel Technika Budowlana, www.kreisel.pl [8] E. Osiecka, Materiały budowlane, Kamień ceramika szkło. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003. [9] E. Osiecka, Materiały budowlane, Spoiwa mineralne kruszywa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005. [10] B. Gierych, Kamień i wyroby kamienne, [w:] Poradnik inżyniera i technika budowlanego, t.2, materiały i wyroby budowlane. Arkady, Warszawa 1982. 22