Физико-механические свойства природного камня

   Физико-механические свойства природного камня: твердость, прочность, объемную массу, водопоглощение, пористость, теплопроводность, морозо­стойкость.

   По твердости каменные породы делятся на три категории, в со­ответствии с которыми подбирается технология добычи и обработ­ки камня, а также механизмы и инструменты. Породы I категории— мягкие (по шкале Мооса менее 3) легко режутся стальными рез­цами. К мягким камням относятся гипсовый и тальковый камень,. Доломит, известняк-ракушечник. Породы II категории — средней твердости (по шкале Мооса 3—5) режутся стальными и твердосплав­ными резцами, легко обрабатываются абразивным инструментом. К ним относятся: мрамор, кристаллический известняк, песчаник, сланец, некоторые виды вулканического туфа и др. Породы III ка­тегории — твердые (по шкале Мооса 6—В) обрабатываются абра­зивными и скалывающими инструментами, не поддаются твердолавным и стальным резцам. Это — гранит, габбро, сиенит, лабра­дорит, кварцит и др.

   От твердости камня зависит тонкость деталировки, возмож­ность выполнения резьбы по камню. Сложная деталировка и резь­ба почти невыполнимы на твердых породах. Мягкие породы, нао­борот, легко поддаются любой обработке, но детали и орнамент на них грубоваты и, со временем разрушаясь, как бы оплывают и теряют свои формы. Породы средней твердости труднее мягких поддаются обработке, но зато детали из них могут быть тоньше, резьба — изящнее и сложнее.

   Эта зависимость деталировки от твердости породы наглядно проявилась в архитектуре античной Греции. Совершенствование строительных инструментов обусловило переход от строительства из мягкого известняка в архаический период к строительству из бо­лее твердого мрамора в период классики. Получили развитие иони­ческий и коринфский ордера, обладающие более сложными и изящными деталями по сравнению с дорическим ордером, развив­шимся еще в архаическую эпоху.

   Твердость и прочность камня не всегда находятся в прямой зависимости, по большой твердости камня нельзя судить о его вы­сокой прочности. Так, очень твердые породы, такие как сиенит и габбро, могут быть хрупкими, что не позволяет делать из них слож­ные элементы сооружений.

   По прочности различают: высокопрочные породы с аСж более 40 МПа, средней прочности с аСж=Ю—40 МПа, низкой прочности с аСж=0,4—10 МПа.

   Прочностные качества камня проявляются при работе конст­рукций из него на сжатие. Камень — материал непластичный и до­вольно-таки хрупкий. Поэтому при хорошем сопротивлении сжатию он выдерживает сравнительно небольшие изгибающие нагрузки. В среднем твердые породы камня в 20 раз слабее работают на изгиб, чем на сжатие, а породы средней твердости и мягкие—в 5—10 раз. Это свойство камня определяет ограниченный выбор конструктив­ных схем для сооружений, где он является основным конструкцион­ным материалом.

   Прочность камня влияет на архитектурные пропорции сооруже­нии из него. Так, дорический ордер, архитектурные формы которо-Горазвились в период строительства из известняка, имеет более мужественные и даже грубые пропорции по сравнению с-возник­шими позднее ионическим и коринфским ордерами, выполнявши­мися из мрамора. Другой материал изменил пропорции ордера. ь!сота антаблемента по отношению к высоте колонны стала значительно меньше, чем в дорическом ордере, расстояния между кононнами — шире, балки архитрава получили меньшее сечение. Дорический ордер сопоставляют с обнаженным телом атлета, ионический — со стройной фигурой девушки, задрапированной в пеп-лос. Сравнение двух храмов, построенных примерно в одно время (V в. до н. э.) — храма Олимпии из известняка и храма Фесея в По-сейдонии из мрамора, показывает, что первый сохраняет в своих формах нечто от архаической грубости, в то время как последний отличается большей изысканностью деталей, соответствующей проч­ности материала [12].

   По плотности (объемной массе) различают породы: тяжелые плотностью более 2,3 г/см3 и легкие плотностью не более 2,3 г/см3. Показатели прочности и плотности используются для конструк­тивных расчетов.

   Для установления возможности применения той или иной ка­менной породы в определенных условиях эксплуатации, для тепло­технических расчетов и для определения возможного срока службы камня в сооружении учитываются показатели водопоглощения, по­ристости, теплопроводности, морозостойкости.

   Водопоглощение определяется в процентах по отношению к массе камня. Твердые породы имеют водопоглощение не более 0,5 %, мягкие — не более 30 %.

   Пористость определяется соотношением объемной массы и плотности (удельного веса), выраженным в процентах. Горные по­роды подразделяются на низкопористые (р—менее 5 %), среднепо-ристые (р—5—20 %) и высокопористые (р—больше 20 %).

   Теплопроводность определяется в Вт/(м-К) и составляет для твердых пород 2,5, для мягких — 0,35—0,4.

   Морозостойкость определяется в циклах попеременного замо­раживания и оттаивания. Морозостойкие породы выдерживают бо­лее 50 циклов, породы пониженной морозостойкости — менее 50.

   Декоративные и прочностные свойства каменной породы зави­сят от состава образующих ее минералов, структуры породы, т. е. способа связей минералов друг с другом и ее текстуры, т. е. осо­бенностей сложения породы (слоистость, трещиноватость, пори­стость и т. п.). Минерально-химический состав определяет окраску камня, структура и текстура — его рисунок. Понятие «текстура» не­сколько различно в архитектуре и геологии. В геологии под тексту­рой понимают особенности сложения породы. В архитектуре тексту­ру понимают как рисунок камня, складывающийся из цветовых пя­тен (полосатые гнейсы и мраморы, пятнистые брекчии и т. п.) или инородных вкраплений, каверн, крупных пор и т. п. (травертин, из­вестняк-ракушечник).