Метаморфические породы

Горные породы, находящиеся в земной коре, со временем могут существенно изменить структуру и свойства, не меняя принципиально свой химический состав. Причина таких изменений  воздействие давления, повышенных температур и минерализованных вод. Метаморфизироваться могут как магматические, так и осадочные породы. Яркий пример метаморфизма  превращение массивной магматической породы перидотита в слоистую породу серпентинит, имеющую в своем составе тонковолокнистый минерал  асбест. Среди метаморфических пород для строителя представляют интерес мрамор, кварцит глинистый сланец и гнейс.

Мраморы  метаморфизированные известняки, состоящие из плотно сросшихся между собой кристаллов кальцита (СаСО₃), иногда с примесью доломита (СаСО₃  МgСО₃). Кристаллы в мраморе прочно связаны друг с другом без цементирующего вещества. Это произошло за счет огромного многостороннего давления на известняки в условиях повышенных температур. Мрамор имеет высокую плотность (2600...2800 кг/м³) и прочность (R_сж= 50300 мПа); водопоглощение мрамора менее 1%. При всем этом твердость мрамора не высока  33,5, что облегчает его обработку.

Отличает мрамор от известняков еще одно свойство: мраморы хорошо полируются.

Мраморы широко применяют для отделки зданий и общественных сооружений. Не рекомендуется использовать мрамор для полов с большой интенсивностью эксплуатации (он быстро изнашивается) и для наружной, облицовки зданий. Последнее объясняется тем, что кальцит не стоек к действию влаги и кислотных оксидов (в том числе и СО₂), содержащихся в атмосфере городов. В этих условиях мрамор быстро теряет полировку и разрушается с поверхности.

Добыча и обработка природного камня

Методы добычи и обработки природного камня зависят от вида конечной продукции (щебень, облицовочные плиты, стеновые камни я т. п.) и свойств разрабатываемой породы (в основном от ее твердости).

В камнеобрабатывающей промышленности принята следующая классификация горных пород:

• твердые  породы, в состав которых входят минералы с твердо­стью 67 (кварцит, гранит, габбро, лабрадорит и т.п.);

• средние  минералы этих пород имеют твердость не выше 5 (мрамор, плотные известняки, доломиты, некоторые виды туфа и т.п.)

• мягкие  сравнительно небольшая группа пород с твердостью 23 (гипс, ангидрит, известняк ракушечник, высокопористые туфы и т.п.).

Щебень и бутовый камень получают, разрабатывая горные породы взрывным методом. Образовавшиеся после взрыва обломки породы дробят до нужного размера и рассеивают по фракциям.

Отделочные и стеновые изделия получают из камня, добываемого различными механизированными методами, не нарушающими струк­туру породы. Выбор метода добычи зависит, главным образом, от твердости разрабатываемой породы.

Средние и мягкие породы добывают в карьерах с помощью камне­резных машин, снабженных твердосплавными дисковыми, цепными или канатными пилами.

Вырезку мелкоштучных блоков из таких пород производят поточным методом. В этом случае по рельсовому пути, проложенному в карьере, движутся три дисковые камнерезные машины, производящие горизонтальные и вертикальные пропилы и пропилы, отделяющие камень от основного массива породы.

Дисковые пилы позволяют получить камни размером не более 35 % от диаметра диска, т. е. не более 5070 см. Блоки большого размера целесообразно выпиливать машинами с рабочим органом в виде фрезы. Представленная на рис. 20.14. машина СМ-177 позволяет делать разрезы глубиной до 70 % от диаметра фрезы, что для стандартных фрез составляет около 1 м.

Кроме машин с дисковыми режущими органами применяют машины с цепными пилами, глубина пропила у которых достигает 1,52м.

Для вырезки блоков из пород средней твердости могут применяться дисковые и цепные пилы, снабженные алмазными режущими насадка­ми. Производительность таких машин в породах средней твердости в 45 раз выше (510 м²/ч), чем на твердосплавном инструменте (12 м²/ч) Для мягких пород применение алмазного инструмента не эффективно.

Рис. 20.14. Машина с кольцевыми фрезами для выпиливания крупных блоков

из пород средней твердости: 1  рельсовый путь; 2  фреза; 3  каменные блоки

Рис. 20.15. Схема выпиливания монолитов (крупных блоков) из массива с помощью алмазно-канатной установки с предварительным бурением стыкующихся скважин: а  выполнение вертикального пропила; б  то же, горизонтального; 1  алмазно-канатная уста­новка; 2  канат, армированный алмазными втулками; 3  пропиленная часть массива; 4  сква­жины; 5  непропиленная часть массива.

В случае если необходимо добыть блок камня большого размера (210 м), используют установки с канатными пилами. Режущим инструментом в таком случае служит стальной канат диаметром 46 мм. Канат соединен в виде кольца и приводится в движение двигательной установкой. Для установки каната в рабочее положение необходимо предварительно пробуривать в массиве камня отверстия.

Установка канатного пиления работает на «свободном» абразиве (кварцевом песке, карборунде) фракции 0,30,6 мм, подаваемым в пропил вместе с водой. Скорость движения каната  710 м/с; про­изводительность установки  12 м² пропила в час.

В последние годы получили распространение канатные пилы с армированным режущим органом: на многожильный канат насажены «алмазные» втулки диаметром 1014 мм. Схемы работы алмазной канатно-пильной установки показана на рис. 20.15. Благодаря большой скорости движения каната (3545 м/с) такая установка имеет высокую производительность  1015 м²/ч.

Твердые породы обычно разрабатывают, отделяя сначала крупный монолит. Затем его делят на блоки, из которых на камнеобрабатывающем заводе получают требуемые изделия. Отделение монолита может осуществляться несколькими способами: буроклиновым, строчечным бурением и канатными пилами с алмазными насадками.

Буроклиновый способ, применяемый чаще других, заключается в том, что отделяемый объем камня обуривается по контуру перфораторами. В полученные отверстия (шпуры) вводятся гидравлические или меха­нические клинья или расширяющиеся составы на основе минеральных вяжущих веществ  так называемый «тихий взрыв». С их помощью монолит породы раскалывают по требуемой плоскости. Этот метод базируется на крайне низкой прочности камня при растяжении (для гранита R= 58 мПа при Rсж > 100 мПа).

Распиловка  трудоемкая операция. Для этого применяют чаще всего рамные пилы с гладкими полотнами, под которые подсыпается абразивный порошок (для твердых пород  чугунная дробь, для сред­них  кварцевый песок). Для пород средней твердости применяют полотна с твердосплавными режущими элементами или дисковые твердосплавные пилы. Толщина получаемых плит 2060 мм.

В последние годы в камнерезных машинах в качестве абразивного материала все шире применяют алмазы. Их высокая твердость обеспечивает высокую износостойкость режущего инструмента и позволяет в 510 раз увеличить скорость резания и производительность при снижении расхода электроэнергии в 22,5 раза.

Кроме того, применение алмазных пил позволяет сократить ширину пропила в 34 раза, а толщину плит довести до 510 мм. В результате из

1 м³ блока можно получить до 4045 м² тонких плит, что в 23 раза выше, чем при обычных методах распиловки. Еще одна положительная сторона алмазной распиловки  высокая чистота поверхности резания, что позволяет на дальнейших этапах обработки плиты исключить процесс шлифования.

Кроме резания для получения облицовочных плит применяют метод раскалывания, использующий крайне низкую прочность камня при скалывании. Раскалывание производится на специальных станках. Таким образом изготовляют брусчатку.

При получении плит методом раскалывания затраты труда состав­ляют 1015% от затрат труда при пилении. Однако применение этого метода ограничивается большой толщиной получаемых плит (60120 мм) и грубой фактурой (фактура скалы) получаемой поверхности.

Для точной обрезки кромок плит, а также для получения профи­лированных изделий (поясов, карнизов, ступеней и т.п.) применяют фрезерные и профилирующие машины. Режущими элементами в этих машинах являются диски и профилирующие фрезы, изготовленные из особо твердых абразивов.