Техногенная нарушенность камня при его добыче и обработке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.35

Н.И. МОТОРНЫЙ, канд. геол.-мин. наук (motnikolaj@yandex.ru)

Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья в промышленности строительных материалов (ВНИПИИстромсырье) (125080, г. Москва, Волоколамское ш., 1)

Техногенная нарушенность камня при его добыче и обработке

Облицовочные изделия изготавливаются из блоков, которые добываются в карьере. В конце прошлого века основным фактором нарушений качества камня являлись взрывные работы на карьере. В настоящее время применение взрывчатых веществ при добыче блоков ограничивается вспомогательными функциями. На одном из карьеров по добыче блоков гранита «Сансет Голд», расположенном в Китае, отделение от массива выпиленного монолита происходит с помощью камнерезных машин и взрывчатых веществ «Пурри Роше» французского производства. По данным замеров скорости ультразвукового импульса, мощность зоны техногенной трещиноватости от воздействия взрывчатых веществ составляет около 50 мм, а при резательной технологии 6-7 мм. Установлено, что детали из гранита имеют хорошо выраженную анизотропию по УЗИ при ее отсутствии на блоках, что связывается с возникновением в камне микротрещиноватости от алмазного инструмента. Это приводит к снижению физико-механических свойств камня облицовочных деталей на 10-15%. УЗ исследования плит из гранита «Цветок Урала» показывают, что падение прочностных свойств камня при его термообработке может достигать 22% (ГОСТ 30629-2012 допускает не более 20%), а зона таких техногенных нарушений распространяется на всю толщину плиты (80 мм). Кроме того, термообработка снижает показатель истираемости на 22,2%. Приводится таблица мощностей зон техногенной нарушенности при обработке камня механическим способом.

Ключевые слова: блок камня, добыча блоков, зоны нарушенности, УЗИ (ультразвуковой импульс), анизотропия, микротрещиноватость, термообработка, фактура поверхности.

Для цитирования: Моторный Н.И. Техногенная нарушенность камня при его добыче и обработке // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 67-71.

N.I. MOTORNY, Candidate of Sciences (Geology and Mineralogy), (motnikolaj@yandex.ru)

Research and Design and Survey Institute for Problems of Extraction, Transport and Processing of Mineral Raw Materials in the Industry of Construction Materials (VNIPIIstromsyryo) (1 Volokolamskoye Shosse, 125080, Moscow, Russian Federation)

Anthropogenic Broken Condition of Stone in the Course of Its Extraction and Treatment

Facing products are fabricated from blocks which are extracted from the pit. At the end of the past century the main factor of violation of the stone quality is blasting works at the pit. At present, the use of explosives when extracting blocks is limited by auxiliary functions. At one of the pits for extracting granite blocks Sunset Gold located in China, the separation of a sawn block from the massif is made with the help of the stone-cutting machine and explosives "Purry Roche" produced in France. According to the measurement of the velocity of an ultrasonic impulse, the thickness of the zone of technogenic fissuring from the effect of explosives is about 50 mm, and at cutting technologies - 6-7 mm. It is established that granite details have a pronounced anisotropy according to UZI when it is absent on the blocks that is connected with the appearance of micro-fissuring due to the use of the diamond tool. This leads to reducing physical-mechanical properties of the stone of facing details by 10-15%. Ultrasound examination of slabs made of granite "Flower of Ural" shows that reducing strength properties of the stone in the course of its thermal treatment can reach 22% (GOST 30629-2012 permits not more than 20%), and the zone of such technogenic violations extends to the entire thickness of the slab (80 mm). Besides, thermal treatment reduces the abrasion index by 22.2%. The table of capacities of the zones of technogenic disturbance when treating the stone by mechanical means is presented.

Keywords: stone block, extraction of blocks, zones of disturbance, UZI (ultrasound impulse), anisotropy, micro-fissuring, thermal treatment, surface texture.

For citation: Motorny N.I. Anthropogenic broken condition of stone in the course of its extraction and treatment. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 67-71. (In Russian).

Прежде чем попасть в облицовку, камень проходит долгий путь. Рождение облицовочного изделия начинается в карьере, где от массива горных пород отделяется блок, пригодный по размерам и весу к транспортировке и обработке на камнеобрабатывающем заводе. Обычно объем блоков составляет около 5 м3 и соответственно их масса до 13—14 т. Высота блоков в среднем не превышает 165 мм, а длина 260 мм, что в основном обусловлено рабочим пространством камнераспиловочного оборудования.

В конце прошлого века основным фактором нарушений качества камня являлись взрывные работы на карьере [1—3]. В настоящее время в технологии добычи блоков природного камня довольно редко применяют ВВ (взрывчатые вещества), а их использование ограничивается вспомогательными функциями, например для создания горизонтальных подсечек. Тем не менее на наличие зон нарушенности камня при его добыче и обработке обычно обращают недостаточно внимания, или

не обращают вовсе [4—6]. По мнению автора и других специалистов, такие зоны необходимо выявлять и контролировать. Без этого получение строительных деталей из природного камня высокого качества невозможно.

В настоящее время большой популярностью в Китае пользуются технологии выпиливания блоков гранита с помощью камнерезных машин, оснащенных алмазными дисками большого диаметра. На одном из карьеров по добыче блоков гранита Сансет Голд, расположенном в провинции Фуцзянь ^иЦап), принята система добычи с нарезкой вертикальных добычных щелей при помощи камнерезных машин (рис. 1) со стальными дисками большого диаметра, армированными алмазными сегментами, а отделение от массива выпиленного монолита происходит с помощью ВВ (взрывчатых веществ) «Пурри Роше» французского производства. При воздействии на массив ВВ неизбежно образование зоны вторичных техногенных трещин, отрицательно сказывающихся на качестве камня. Для оценки мощности

j t. ®

сентябрь 2017

67

Рис. 1. Добыча блоков гранита в Китае с помощью камнерезных машин

Расстояние от грани блока, см

Рис. 2. Зоны техногенной трещиноватости на колотых гранях блоков гранита распространяются на 5 см. Линия тренда (розовая) имеет достоверность аппроксимации 0,954

такой зоны на грани блока наносилась шкала с интервалом между метками 10 мм и по месту каждой из меток определялась скорость УЗИ (ультразвукового импульса). По данным замеров в последующем строились графики зависимости скорости УЗИ до грани блока, что позволило определить мощность зоны техногенной трещиноватости (рис. 2), которая составила около 50 мм. Зона техногенной нарушенности блоков по пиленым граням, определенная аналогичным методом, составила 6—7 мм (рис. 3).

При раскрое блоков для выпиливания облицовочных деталей необходимо учитывать наличие зон нару-шенности. Попадание участков трещиноватого камня в тело детали недопустимо, поскольку такие участки недолговечны.

На камнеобрабатывающем заводе из блоков гранита вырезают детали. Поскольку многие детали имеют сложный П-образный профиль, на первом этапе выпиливали заготовки, которые затем дорабатывались до нужной толщины на фрезерных станках (рис. 4).

Считается, что такая обработка не сопровождается ухудшением качества изделий, и вопрос о наличии зоны нарушенности в этих условиях обычно не ставится [7—10]. При контроле качества изделий из гранита «Сансет Голд» с помощью измерителя скорости УЗИ было установлено наличие такой зоны. Было обращено внимание на довольно существенную анизотропию по УЗИ некоторых обработанных деталей при ее отсутствии по блокам. Для установления характера распределения анизотропии были построены круговые диаграммы скорости ультразвукового импульса по детали (рис. 5). Падение скорости импульса свидетельствует о наличии в камне микротрещиноватости.

Установлено, что максимальное развитие наведенная техногенная трещиноватость имеет в направлении около 45о по отношению к удлинению дорабатываемой

Расстояние от грани блока, мм

Рис. 3. Зоны техногенной трещиноватости на пиленых гранях блоков гранита распространяются на 7,5 мм

Рис. 4. Доработка поверхности гранитных изделий на фрезерном станке приводит к возникновению зоны техногенной нарушенности и снижению прочностных свойств камня

детали, что коррелируется с законами деформационного воздействия на материалы. Очевидно, снижение скорости УЗИ по таким деталям связано с возникновением дополнительной микротрещиноватости. Техногенная вторичная микротрещиноватость, по нашему мнению, возникает вследствие осевого биения алмазных дисков фрезерно-окантовочных станков при доработке деталей. Это приводит к снижению физико-механических свойств камня облицовочных деталей на 10—15%. Такие снижения свойств камня при его обработке алмазным инструментом необходимо учитывать, поскольку уменьшается долговечность и прочностные свойства деталей.

Даже в среде профессионалов недостаточно известно, что и некоторые другие способы обработки камня также могут привести к снижению прочностных свойств и долговечности. Снижение прочностных свойств камня происходит не только вследствие непосредственного воздействия породоразрушающего инструмента, но и при любом другом воздействии, сопровождающемся смещением зерен горной породы (волны в звуковом и ИЗ диапазоне, термические воздействия), или химическом воздействии [6].

Наиболее показательны здесь проведенные нами исследования, касающиеся поверхностной термообработки камня. Поставщики камня обычно считают, что такая обработка не нарушает прочностных свойств и долговечности камня. Наши исследования показывают, насколько следует обращать внимание на камень термо-обработанной фактуры.

Исследования проводились на гранитных плитах мощения, имеющих прямоугольную форму и размеры 400x400 мм при толщине около 80 мм. Фактура лицевой поверхности плит шероховатая, термообработанная.

По исследуемой плите камня были проведены замеры скорости распространения ультразвукового импуль-

са (УЗИ) в одних и тех же местах по лицевой и тыльной поверхностям плиты. Замеры проводились с интервалом в 10 мм. В одних и тех же точках скорость УЗИ по лицевой стороне была ниже, чем по тыльной, не подвергавшейся термообработке. Это свидетельствует, что в результате термообработки прочностные свойства камня были нарушены. На основе полученных данных построен график снижения скорости УЗИ (график степени потери прочностных свойств камня) в процентах (рис. 6). График показывает, что наибольшая интенсивность вторичной, техногенной трещиноватости в результате термообработки распространена по краям плиты и в ее центральной части.

Исследовалась и мощность зоны нарушенности облицовочной плиты в результате термообработки. С этой целью по всем четырем бортам изделия с шагом в 5 мм проводились замеры скорости УЗИ. Полученные данные показывают, что довольно резкое падение скорости по мере перемещения точек замеров от тыльной стороны в центральные части плиты устанавливается по всем бортам. Наибольшее падение скорости наблюдается в центральных частях плиты, где воздействие высокой температуры на камень было максимальным.

Известно, что падение скорости ультразвукового импульса по камню пропорционально падению его прочностных свойств. Значения падения в процентах прочностных свойств плиты из гранита по мере смещения точек замера от тыльной стороны к лицевой отражены на рис. 7. Полученные данные показывают, что такое падение может достигать 22% (ГОСТ 30629-2012 допускает не более 20%) [11, 12]. Такие факты вызывают серьезные сомнения в пригодности плит из гранита после их термообработки для наружной облицовки.

Также были проведены исследования по влиянию термообработки гранита на сопротивление истирающим нагрузкам. Лабораторные исследования показывают, что поверхность гранита, подвергнутая термической обработке, снижает показатель истираемости на 22,2%, что также следует учитывать при использовании такого камня для настила полов.

Следует обратить внимание и еще на один фактор, касающийся изменения геометрических параметров изделия в процессе его обработки, поскольку это может привести к существенному снижению качества детали и ее долговечности.

Механические, тепловые, химические способы обработки лицевой

190

170

Рис. 5. Снижение скорости распространения УЗИ на деталях из гранита «Сансет Голд» может достигать 22,5%

25

s 20

го >

I 15

0 10 S

X

а *

1 5

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213141516 1718192021 22 2324252627282930 31 3233343536 373839 Расстояние от борта плиты, см

Рис. 6. Снижение скорости ультразвукового импульса по термообработанной поверхности плиты из гранита по сравнению с тыльной стороной

25

20 -

15 -

10

5

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Расстояние от края, мм

Рис. 7. График падения скорости ультразвукового импульса по мере смещения точек замера от тыльной стороны плиты из гранита к ее лицевой стороне, подвергнутой термообработке

0

научно-технический и производственный журнал

поверхности камня для создания нужной фактуры сопровождаются потерей части поверхностного слоя. Считается, что фактура создается на детали один раз, при ее изготовлении и геометрические параметры детали заложенные в проекте, со временем остаются неизменными. Здесь следует обратить внимание на случаи, когда возникает необходимость повторной обработки поверхности, очистки детали, либо для создания другой фактуры. Создание на поверхности детали более грубой фактуры по сравнению с уже имеющейся, проблемами не сопровождается. Создание же более тонкой фактуры на имеющейся более грубой требует соблюдения определенных правил, учитывающих техногенную зону нарушенности, имеющейся фактуры и требуемую толщину снятия камня для создания новой.

По нашим данным, фактуры лицевой поверхности плит могут сопровождаться зонами техногенной нару-шенности в виде микротрещиноватости в следующих пределах (без учета микрорельефа):

- полированная..................................3-15 мкм

- лощеная.........................................15-45 мкм

- шлифованная............................. 120-600 мкм

- пиленая...................................500-2500 мкм

- точечная (бучардованная).................3-12 мм

- термообработанная........................10-55 мм

- водоструйнообработанная (аква)........1-6 мм

- пескоструйная..............................0,5-0,8 мм

- антик (механическая).......................0,2-3 мм

При создании на камне новой фактуры следует учитывать необходимость удаления при этом некоторого поверхностного слоя камня. Толщина такого слоя складывается из зоны техногенной нарушенности предыдущей фактуры плюс слой камня, необходимый для формирования новой фактуры. Ориентировочно вновь создаваемая на поверхности камня фактура сопровождается снятием верхнего слоя камня в следующих пределах (без учета выравнивания рельефа):

- полированная.............................более 300 мкм

- лощеная......................................более 280 мкм

- шлифованная.............................более 250 мкм

- пиленая........................................более 2 мм

- точечная (бучардованная)............более 5 мм

- термообработанная....................более 10 мм

-водоструйнообработанная(аква) . более 5 мм

- пескоструйная............................более 0,8 мм

- антик (механическая)...................более 2 мм

Создание более тонкой фактуры по сравнению с имеющейся потребует полного удаления следов предыдущей в соответствии с приведенными данными. При создании же более грубой по сравнению с имеющейся, фактуры в удалении следов предыдущей, более тонкой нет необходимости.

Изложенное выше показывает, что получить хорошую полировку на термообработанной фактуре практически невозможно, а переполировка бучардованной и водоструйной фактур будет связана с большими затратами. Необходимо учитывать, что изменение фактуры связано с удалением части поверхностного слоя камня, что может привести к уменьшению его толщины в недопустимых пределах.

Фирмы, проводящие популярную в последнее время пескоструйную очистку каменных фасадов от загрязнений, не учитывают неизбежный при этом износ камня. Следует иметь в виду, что при пескоструйной обработке камня неизбежно снимается поверхностный слой. Толщина слоя, снимаемого при пескоструйной обработке изделий из среднезернистого гранита, со-

ставляет в среднем 0,8 мм. При этом отдельные образующиеся каверны могут достигать глубины 1,2 мм.

При толщине деталей каменной облицовки фасада 30 мм и проектной ее долговечности 50 лет, допустимое уменьшение толщины плиты составляет 3 мм, при меньшей толщине деталь теряет свои прочностные свойства в недопустимых пределах (более 20%). Отсюда, мы можем допустить (3/0,8) не более четырех циклов очистки камня пескоструйным способом в период эксплуатации каменной облицовки объекта, т. е. если загрязнения будут появляться с перио-дичностью,не менее чем через (50/4) 12,5 лет, их очистку целесообразно осуществлять пескоструйной обработкой.

При повторном появлении загрязнений с цикличностью менее чем через 12,5 лет пескоструйный способ очистки неприемлем, требуется другой способ, не приводящий к уменьшению толщины детали. В таких случаях могут использоваться химические способы очистки, горячим паром и т. п.

При очистке камня химическим способом не происходит уменьшения толщины детали. Деталь сохраняет свои физико-механические свойства на весь период эксплуатации каменной облицовки. Загрязнения типа ржавых пятен могут быть очищены с поверхности изделий из гранита за один цикл.

Приводимые сведения о зонах техногенной нару-шенности, возникающих в камне при его добыче и обработке, необходимо учитывать при приобретении блоков и при выборе технологии их обработки, что предотвратит поступление на стройки некачественного материала с низкой долговечностью. Мероприятия же по предотвращению преждевременной деградации камня требуют значительных затрат времени и средств (CARRARA MARMOTEC 2016. Доклады: Dr Marco Mazzoni-Responsible of the IMM laboratory for testing stones, STONELAB; Arch. Federica Rosso. Experimental analysis of degradation affecting thin marble constructive elements due to the pollution; Dr Fabio Fratini. Techniques and products to prevent the stone degradation and to maintain and restore it.)

Список литературы

1. Моторный Н.И. Нарушенность массива при ведении взрывных работ // Строительные материалы. 1994. № 8. С. 8-9.

2. Петров В.П. Сложные загадки простого строительного камня. М.: Недра, 1984. 149 с.

3. Чернышев С.Н. Трещины горных пород. М.: Высшая школа, 1983. 240 с.

4. Симонов П.С. Основные принципы проектирования параметров буровзрывных работ на отрыв. Магнитогорск: МГТУ, 2013. С. 38-42.

5. Першин Г.Д., Митин А.Н. Технико-экономическое обоснование технологических параметров многопроходной многодисковой распиловки природного камня высокой прочности. Магнитогорск: МГТУ, 2013. С. 78-89.

6. Латышев О.Г., Карасев К.А., Казак О.О. Использование поверхностно-активных веществ в процессах буровзрывных работ при разработке месторождений природного камня. Магнитогорск: МГТУ, 2014. С. 196-202.

7. Сычев Ю.И., Берлин Ю.Я. Шлифовально-полиро-вальные и фрезерные работы по камню. М.: Строй-издат, 1985. 312 с.

8. Казарян Ж.А. Технология добычи и обработки природного камня. М.: НИТУ МИСИС, 2015. 278 с.

9. Казарян Ж.А. Инструмент для добычи и обработки природного камня. М.: МГИ, 1990. 80 с.

научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ í j Lí| ¡£ "70 сентябрь 2017 й- fEW.; J L *

10. Казарян Ж.А. Природный камень в строительстве: обработка, дизайн, облицовка. Изд. 2-е М.: НИТУ МИСИС, 2015. 297 с.

11. ГОСТ 9479—2011. Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий. М.: Стандарт-информ, 2012.

12. ГОСТ 30629—2011. Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2012.

References

1. Motomiy N.I. Disturbance of the array during blasting operations. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1994. No. 8, pp. 8-9. (In Russian).

2. Petrov V.P. Slozhnye zagadki prostogo stroitel'nogo kamnya [Complex puzzles of a simple building stone]. Moscow: Nedra. 1984. 149 p.

3. Chernyshev S.N. Treshchiny gornykh porod [Cracks in rocks.]. Moscow: Vysshaya shkola. 1983. 240 p.

4. Simonov P.S. Osnovnye printsipy proektirovaniya para-metrov burovzryvnykh rabot na otryv [Basic principles of designing parameters for drilling and blasting operations for separation.]. Magnitogorsk: MGTU. 2013. Pp. 38-42.

5. Pershin G.D., Mitin A.N. Tekhniko-ekonomicheskoe obosnovanie tekhnologicheskikh parametrov mnogo-prokhodnoi mnogodiskovoi raspilovki prirodnogo kamnya vysokoi prochnosti [Feasibility study of technological pa-

rameters of multi-pass multi-disc sawing of natural stone of high strength]. Magnitogorsk: MGTU. 2013. Pp. 78-89.

6. Latyshev O.G., Karasev K.A., Kazak O.O. Ispol'zovanie poverkhnostno-aktivnykh veshchestv v protsessakh bu-rovzryvnykh rabot pri razrabotke mestorozhdenii prirod-nogo kamnya [The use of surfactants in drilling and blasting operations in the development of natural stone deposits]. Magnitogorsk: MGTU. 2014. Pp. 196-202.

7. Sychev Yu.I., Berlin Yu.Ya. Shlifoval'no-poliroval'nye i frezernye raboty po kamnyu [Grinding and polishing and milling work on stone]. Moscow: Stroyizdat. 1985. 312 p.

8. Kazaryan Zh.A. Tekhnologiya dobychi i obrabotki prirod-nogo kamnya [Technology of extraction and processing of natural stone]. Moscow: NITU MISIS. 2015. 278 p.

9. Kazaryan Zh.A. Instrument dlya dobychi i obrabotki prirodnogo kamnya [Tool for extraction and processing of natural stone]. Moscow: MGI. 1990. 80 p.

10. Kazaryan Zh.A. Prirodnyi kamen' v stroitel'stve: ob-rabotka, dizain, oblitsovka. Izd. 2 [Natural stone in construction: processing, design, facing. Ed. 2.]. Moscow: NITU MISIS, 2015. 297 p.

11. GOST 9479-2011. Bloki iz gornykh porod dlya proizvodstva oblitsovochnykh, arkhitekturno-stroitel'nykh, memorial'nykh i drugikh izdeliy [Blocks from rocks for the production of facing, architectural and construction, memorial and other products]. Moscow: Standartinform. 2012. (In Russian).

12. GOST 30629-2011. Materialy i izdeliya oblitsovochnye iz gornykh porod. Metody ispytaniy [Materials and products facing from the rocks. Methods of testing]. Moscow: Standartinform. 2012. (In Russian).

Hnlli:~

frpJtHI

rBDPDhl-«. мПСиИк JUre». I

ДВОРЕЦ ДЕТЕЙ И МОЛОДЕЖИ

ШЩИАПИЗИРЦВАННЫЙ ФОРУН-БЫиГАЗКА

ЖКХ 26-27.10.2017

ШМ технологии, Лучшие практики

Развитие ЖКХ. Передовой опыт ЦЧР Осенняя распродажа недвижимости

Строительные материалы

и оборудование

1 ijMmm; ■ - hH44Uill4CI|i

[WD4MU>t iSun Е?

(Зста

—зною —

www.veta.rLs1mi@ve1a.rii

ВСЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПАНИИ

на одной площадке

ЖКХ.ГОТОВИМСЯ К ЗИМЕ

ПО ВОПРОСАМ УЧАСТИЯ И ПАРТНЁРСТВА тел.: +7(473) 251-20-12

i>. ®

сентябрь 2017

71

00619015