В строительстве находят применение две группы естественного камня: тяжелые породы в виде известняка, песчаника, гранита и т. п., и легкие породы: известняк-ракушечник, туф и т. п.
Как отмечалось выше, область применения тяжелых камней в современном строительстве по сравнению с прошлым значительно сузилась. Для наружных стен применение тяжелых естественных камней нецелесообразно, так как они обладают очень высоким коэффициентом теплопроводности, требующим значительной толщины. Тем не менее кладка стен из бута еще применяется в некоторых южных районах России, где бут является дешевым местным материалом и климатические условия не требуют большой толщины стен. Бутовые стены иногда применяются также в новых осваиваемых районах, где еще не развито производство искусственных стеновых материалов.
Основное применение тяжелый естественный камень находит в фундаментах. Здесь большим преимуществом является стойкость многих естественных пород в тяжелых грунтовых условиях. Однако бутовая кладка обладает существенными недостатками с производственной стороны, а именно большой трудоемкостью и кустарным характером производственного процесса, который не поддается механизации.
Бутовая кладка в дальнейшем будет вытесняться бетоном. Этот процесс задерживается пока недостатком цемента, что привело к появлению особого вида кладки из естественного камня - бутобетона. Сочетание бута и бетона в бутобетоне хотя и не вполне удовлетворительно с точки зрения использования прочности основных материалов - бута и бетона и не освобождает от ручного труда по укладке бутового камня, но по сравнению с бутовой кладкой значительно облегчает производственный процесс. Бутобетон в дальнейшем будет вытеснен бетоном, так как весь процесс бетонирования от изготовления массы до укладки может быть полностью механизирован.
Высокая прочность на сжатие естественного камня, предел которой у некоторых пород достигает 1000 кг/см2, используется в бутовой кладке и бутобетоне весьма незначительно вследствие неправильной формы камня. Эта прочность может быть использована только в кладке из камней правильной формы, полученных путем тески камня. Такая кладка в прошлом применялась во всех случаях, когда требовалось восприятие больших усилий. В этих случаях в настоящее время с успехом применяют железобетон, бетон или армированную кирпичную кладку. Таким образом в современном строительстве кладка из тесаного камня применяется в самых ограниченных масштабах, главным образом для облицовки ввиду чрезвычайной трудоемкости обработки тесаного камня и его высокой стоимости.
Основным видом естественного камня, применяемого в строительстве, является бут или камень неправильной формы. Прочность камня в одном и том же карьере колеблется в зависимости от слоя разработки, поэтому к определению марки бутового камня подходят значительно более грубо, чем для искусственных камней. Бут делят на три группы:
- бут малой прочности - М200, М250 и М300;
- бут средней прочности - М350 и М500;
- бут большой прочности - М700 и выше.
Такое грубое деление бута вполне достаточно для нормирования допускаемых напряжений на бутовую кладку ввиду малого использования прочности камня в кладке.
Испытание прочности бутового камня вызывает затруднения в выпиливании и притирке граней кубиков для испытания. В пределах требуемой нормами разбивки буга на три группы по прочности оказывается вполне достаточной косвенная оценка прочности бутового камня по его объемному весу и влагоемкости.
При проработке полевых методов испытания бутового камня в лаборатории каменных конструкций ЦНИПС (инж. Котов И. Т.) был систематизирован большой экспериментальный материал, который позволил установить средние зависимости между прочностью и влагоемкостью. Большей прочности камня соответствуют больший объемный вес и меньшая влагоемкость. Зависимости эти показаны на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость между прочностью и объёмным весом бутового камня
Средние кривые подчиняются нижеследующим формулам:
- Марка камня по объемному весу: R1 = 300(γ-1,6)/2,85-γ кг/см2.
- Марка камня по влагоемкости (в процентах от веса): R1 = 50 + 15/ω.
Полевой метод испытания естественного камня заключается в определении его объемного веса и влагоемкости, что не требует специального оборудования и может быть выполнено на любой постройке. На основании полученных формул выведены средние показатели для установленных трех групп бутового камня. Для отдельных образцов принят возможный предел отклонения от средней марки в ⅓.
Рис. 2. Зависимость между прочностью и влагоемкостью бутового камня
Требования в бутовому камню изложены в таблице на рис. 3.
Для неоднородных партий определение марки производится отдельно для каждой разновидности бутового камня, и вся партия оценивается по разновидности камня с наиболее низкой маркой. В этих случаях целесообразно производить сортировку камня по внешнему виду.
Рис. 3. Показатели объемного веса и влагоемкости для оценки марки бутового камня
Рис. 3. Показатели объемного веса и влагоемкости для оценки марки бутового камня
При работе в кладке естественного камня правильной формы большое значение имеет не только его прочность на сжатие, но также и показатели прочности на изгиб и на срез. В настоящее время эти показатели изучены очень мало и никаких обобщенных данных не имеется. Для ориентировки в отдельных случаях, где может встретиться надобность в показателях прочности естественного камня на изгиб и на срез, приводим некоторые случаи для отдельных сортов камня (таблица на рис. 4).
Для естественных камней, применяемых в фундаментах, помимо прочности имеет решающее значение породы камня, также морозостойкость. Следует отметить, что морозостойкость зависит от структуры камня и мало связана с его прочностью. Однако замечено, что породы тяжелого камня 150 и ниже часто не удовлетворяют требованиям морозостойкости.
Легкие породы естественного камня (ракушечник, туф) находят широкое применение для кладки стен в некоторых районах, преимущественно в Крыму, на Кавказе и Одесской области, как местный материал. Легкая обработка камней правильной формы и хорошие теплотехнические показатели создают перспективы для дальнейшего еще более широкого применения этих пород.
Крымский и одесский ракушечник обладает невысокой прочностью (15-35 кг/см2 и ниже), что не препятствует его применению как материала для несущих стен зданий малой этажности. Артикский туф (Закавказье) имеет прочность 35-100 кг/см2 и применяется для строительства стен многоэтажных капитальных зданий.
Легкие породы естественного камня, несмотря на невысокую прочность по сравнению с тяжелыми породами, обладают достаточной морозостойкостью.
Рис. 4. Показатели прочности естественного камня на сжатие, изгиб и срез по лабораторным опытам
Естественные камни
В строительстве применяют естественные камни тяжелых (объемный вес более 1 800 кг/м3) и легких пород (объемный вес менее 1800 кг/м3).
Камни тяжелых пород (граниты, песчаники, известняки и др.), как правило, обладают высокой прочностью, морозостойкостью, водо- и воздухостойкостью и поэтому применяются преимущественно для кладки фундаментов и облицовки капитальных каменных зданий.
Добыча и механическая обработка камней тяжелых пород очень трудоемки, трудно поддаются механизации, вследствие чего камни этих пород для кладки стен применять не рационально. Кроме того, стены отапливаемых зданий из таких камней, обладая высокой теплопроводностью, имеют большую толщину и неэкономичны.
Для кладки фундаментов камни тяжелых пород, как правило, применяют в виде бута - бутовая кладка. В зависимости от формы бут имеет несколько разновидностей:
- рваный бут - камень случайной формы и размеров, не имеющий правильных постелей;
- постелистый бут - камень с двумя примерно параллельными естественными постелями, линейные размеры которых больше высоты камня;
- бут-плитняк - камень с естественными правильными постелями;
- бут, околотый под скобу - камень с отесанными постелями (грубой тески) и грубо околотыми поверхностями.
Бут из камней тяжелых пород должен иметь коэффициент размягчения не ниже 0,7.
Залежи легких каменных пород (известняк-ракушечник, туфы и т. д.) в основном распространены на юге страны (Кавказ, Крым, юг Украины и Молдавия). При добыче камня применяются камнерезные машины. Внедрение машин способствовало удешевлению и дальнейшему развитию добычи естественных каменных материалов и строительства из них.
Камни легких пород легко поддаются обработке и в большинстве случаев применяются в виде мелких и крупных блоков правильной формы, плит и т. д. Их малая теплопроводность способствует успешному применению их для кладки наружных стен. В то же время камни легких пород (особенно свежедобытые) имеют сравнительно низкую морозостойкость и водостойкость и применяются в элементах конструкций, подвергающихся замораживанию и интенсивному увлажнению с осторожностью, только в соответствии с имеющимся опытом строительства в данном районе из аналогичных материалов. Следует иметь в виду, что свежедобытые известняки обладают более низкой морозостойкостью, чем после выдерживания их на воздухе и просушки. Пониженная морозостойкость свежедобытого камня объясняется тем, что в процессе образования горной породы влага под большим давлением проникает через капилляры в относительно замкнутые поры камня (не заполняемые при обычном атмосферном давлении) и сохраняется в них. Только что извлеченный из карьера камень оказывается более влажным, чем высушенный и затем обычным способом насыщенный влагой камень. Исследования показывают необходимость выдерживания свежедобытого камня для просушки. Поэтому ГОСТ 4001-48 требует, чтобы известняк ракушечник выдерживался на месте добычи не менее одного месяца в зимнее и не менее двух недель в летнее время.
Существуют способы повышения морозостойкости камня посредством обработки его солями кремнефтористоводородной кислоты (флюатированием) или самой кислотой. Однако флюатирование (см. Снижаем водопоглощение лего кирпича флюат пропиткой) не всегда приводит к значительному повышению морозостойкости камня. Кандидатом технических наук М. И. Субботкиным был предложен новый способ обработки камня пропиткой его поверхности гидрофобными веществами (парафином, цинковым, алюминиевым, кальциевым и некоторыми другими мылами), не смачиваемыми водой, что препятствует увлажнению камня и повышает его долговечность.
Коэффициент размягчения камней из легких пород, предназначенных для кладки стен, должен быть не менее 0,6, а для камней, предназначенных для лицевой кладки фасадов - 0,7. Требования к камням из легких пород приведены на рис. 5.
Рис. 5. Основные требования к естественным камням легких пород (для определения предела прочности испытывали 12 образцов в форме куба)
Следует отметить, что прочность естественных камней даже из одного и того же карьера имеет значительные отклонения, поэтому желательно производить предварительную сортировку камня на месте его добычи. Предварительную сортировку камня иногда можно производить по размерам и характеру пор при простом осмотре камней. Такая отбраковка позволяет выделить более прочные и менее прочные камни.
По размеру камни делятся на камни для ручной (рис. 6) и механизированной укладки.
Рис. 6. Размеры естественных камней для ручной кладки стен зданий
