Для получения природных каменных материалов горные породы разрабатывают в карьерах и подвергают механической обработке. В зависимости от условий залегания породы карьеры разрабатывают открытым способом—с поверхности, либо закрытым — шахтами. Более эффективен и экономичен открытый способ.
Выбор способа добычи горной породы зависит от ее вида, глубины и условий залегания, твердости и др. При добыче блоков твердого камня используют два способа организации процесса: от массива отделяют крупный монолит, подвергаемый в дальнейшем разделке на блоки, либо каждый блок отделяют от массива в отдельности. Первый способ более экономичен и получил большее распространение, в особенности для плотных пород типа гранита. Он может быть реализован в виде двух вариантов: монолит отделяют, образуя перфораторами или ударными машинами сплошную щель по его граням, либо шпуры располагают на значительном расстоянии друг от друга, а монолит отделяют клиньями, загоняемыми в шпуры. Это намного сокращает затраты энергии, так как сопротивление камня раскалыванию в 4... 6 раз меньше, чем разрыву. На том же принципе реализуется буровзрывной способ отделения монолита с применением зарядов взрывчатки ограниченной мощности.
Кроме того, для отделения от горного массива крупных блоков-полуфабрикатов (4...5 м) используют высокопроизводительный реактивно-струйный способ. Из сопла камеры сгорания керосина в кислороде выбрасывается со сверхзвуковой скоростью (около 2000 м/с) высокотемпературная (свыше 2000 °С) газовая струя и разрушает породу.
Мягкие породы (известняк-ракушечник, известковые туфы и др.) добывают путем распиловки массива камнерезной машиной на блоки определенных размеров и правильной геометрической формы. При разработке месторождений некоторых разновидностей гранитов, туфов, мраморов (в открытых выработках) па штучный камень, плиты, блоки также применяют распиловку породы механическими пилами. Камнерезная машина позволяет выполнять операции по проходке продольных и поперечных траншей, прорезке поперечных рядов на глубину блока, подрезке блока снизу и окончательной отрезке от массива с получением максимальных размеров блока 1000х1000 мм при произвольной длине.
Для придания камню требуемых формы, размеров и фактуры лицевой поверхности необходим ряд операций, выполняемых в строгой последовательности. Совокупность этих рабочих процесса называют обработкой камня. Ее производят механизированным способом на специализированных заводах. Но степени завершенности изделий обработка камня может быть разделена на три стадии: обработку приближенную, обеспечивающую получение заготовки, точную, при которой камень приобретает форму выпускаемого изделия, и фактурную, позволяющую выявить декоративные свойства камня путем придания заданной степени шероховатости или зеркального блеска. В зависимости от характера воздействия различают два основных способа обработки: резание и скалывание. Более высокую производительность обеспечивает обработка камня резанием. При этом снижается количество отходов,
Абразивная обработка включает распиливание, фрезерование, шлифовку и полировку.
Выпиливание штучных стеновых камней и блоков из пористых пород производят камнерезными машинами. Режущими элементами машин являются дисковые пилы. Быстровращающиеся стальные диски имеют на ободе резцы, армированные твердыми сплавами или алмазами.
Распиловку блоков па плиты и бруски производят на распиловочных станках различной конструкции. Наибольшее распространение получили рамные станки и канатные пилы. На рамных станках распиловку блока осуществляют комплектом пильных полотен, натянутых на раму. При работе станка под пилы непрерывно подают дозированными порциями абразив.
В канатных пилах режущим органом является стальной канат, изготовляемый из профильных жилок, а в отдельных случаях дополнительно армированный твердосплавными или алмазными резцами. В качестве абразива используют карборунд, корунд, стальную дробь, обладающие повышенными режущими свойствами. Важнейшее достоинство канатной пилы — бесшумность работы, однако невозможность установки большого количества канатов на станке не позволяет ей быть достаточно конкурентоспособной по сравнению с рамными распиловочными станками.
Распиливание блоков из мрамора, известняка и других пород ведут при помощи рамных пил, армированных твердосплавными вставками или снабженных алмазными резцами. Алмазные резцы увеличивают скорость резания в 5-10 раз и снижают расход электроэнергии в 2-2,5 раза по сравнению с резцами карборундовыми или из твердых сплавов. Кроме того алмазные резцы позволяют значительно увеличить выход готовой продукции. Ширина пропила сокращается примерно в 3 раза, а расход сырья - на 12-18%. Алмазными резцами можно изготавливать тонкие плиты толщиной всего 5-10 мм, поэтому из 1 м камня получают 40-45 м плит. что обуславливает их низкую себестоимость. К тому же обеспечивается высокая чистота поверхности резания.
Для получения профилированных изделий (ступеней, поясков, карнизов и т.п.) на камнеобрабатывающих заводах применяют камнефрезерные и универсальные профилирующие машины.
Шлифовку и полировку производят на шлифовально-полировальных станках с вращающими дисками, которые перемещают по поверхности изделия. Шлифуют с применением зернового абразива: корунда, карбокорунда или мелких пылевидных алмазов, применение которых, как и при распиливании, увеличивает производительность оборудования. После шлифовки камень имеет гладкую матовую поверхность.
Полировка осуществляется войлочными полировальными дисками с использованием мастик и тонких полирующих порошков из оксидов металлов (хрома, олова, железа и др.) или азотнокислого олова. После полировки поверхность плотного камня становится зеркально гладкой.
Абразивная обработка дает фактуры: пиленую - с тонкими штрихами и бороздками глубиной до 2 мм; шлифованную - равномерно шероховатую с глубиной рельефа до 0,05 мм: лощеную гладкую бархатисто-матовую с выявленным рисунком камня; зеркальную гладкую с зеркальным блеском.
Приближенная обработка блоков резанием (распиловка) — весьма трудоемкая операция, стоимость которой составляет до 40% стоимости готовой продукции. В ее задачу входят получение полуфабриката — плит различной толщины и размера в зависимости от назначения (наружная или внутренняя отделка, плиты для полов, ступеней и т. д.), а также брусков для изготовления профильных изделий. Правильный выбор размеров исходных блоков, устранение поломок плит при распиловке, повышение качества поверхности распила обеспечивают рост выпуска готовой продукции при тех же затратах сырья и снижение себестоимости изделий.
Точная обработка камня по форме («окантовка»), с одной стороны, обеспечивает придание изделиям точных размеров, а с другой — получение архитектурных деталей из брусков (ступеней, карнизов, колонн и др.). Основная часть окантовочных станков для точной обработки резанием — отрезной (алмазный или карборундовый) круг. Применение высокопроизводительных алмазных отрезных кругов позволило разработать технологию изготовления плит и брусков непосредственно из блоков.
Фактурная обработка преследует цель с предельной полнотой раскрыть декоративные возможности камня с учетом условий его службы. Вместе с тем она должна обеспечивать повышение срока службы изделий, поэтому желательны фактуры, уплотняющие поверхность камня. Для каменных изделий, получаемых путем резания, фактурная обработка осуществляется шлифовкой, а затем—тонкая шлифовка (лощение) тонким зерновым абразивом. Для придания поверхности блеска ее полируют специальными порошками (оксид хрома, оксид железа, порошок пемзы) с помощью дисков, докрытых мягкими тканями — фетром, сукном и т. п.
Обработка природного камня скалыванием более трудоемка, так как в большинстве случаев требует постоянного участия оператора. Этот способ до последнего времени не удается полностью механизировать, особенно эффективен он для обработки слоистых плохо распиливаемых пород. Колотые плиты в несколько раз толще пиленых. Раскалыванием блоков с последующей дополнительной обработкой поверхности изготовляют облицовочные камни, бортовой камень, брусчатку и др.
Приближенная обработка камня скалыванием производится с помощью клиньев по предварительно ослабленной шпурами поверхности раскола. Точная обработка изделий скалыванием целесообразна только при изготовлении изделий из твердого камня, обработка которого алмазными кругами экономически не оправдана. Обработку осуществляют по шаблону вручную пневмоинструментом или термогазоструйными аппаратами. Термическое воздействие особенно эффективно при обработке твердых пород. Для разрушения камня применяют термический метод, основанный на воздействии струи газа с высокой температурой. Она достигается сжиганием бензина в воздушной струе.
Фактуры, получаемые с помощью сказывающих инструментов, характеризуются наличием рельефа; они более выразительны, чем шлифованные. Ударная обработка дает возможность получить следующие фактуры: фактуру скалы с буграми и впадинами, как при естественном расколе породы, рифленую с правильным чередованием гребней и впадин глубиной до 2 мм: бороздчатую - с параллельными прерывистыми бороздками глубиной 0.5-1 мм: точечную - шероховатую с точечными углублениями 0.5-2 мм.
Готовые изделия при перевозке следует предохранять от загрязнения и повреждений. Блоки для распиливания, крупные стеновые блоки, бортовые камни перевозят на открытых платформах без тары с укладкой правильными рядами на прокладках, предохраняя от повреждений. Облицовочные плиты перевозят закрепленными клиньями в прочной таре в вертикальном положении попарно, лицевыми поверхностями друг к другу, с прокладкой бумаги между ними. Плиты из изверженных пород можно перевозить без тары, установленными на ребро и разделенными деревянными прокладками.
Изготовление штучных камней и изделий, отделка их поверхности сопровождаются образованием большого количества мелких отходов, что удорожает себестоимость выпускаемых изделий. Рекомендуется организовывать их выпуск по комплексной безотходной технологии с переработкой мелких отходов на щебень и песок. Важнейшими направлениями развития камнеобрабатывающей промышленности являются также комплексная механизация работ по добыче, обработке и транспортировке блоков и плит, широкое внедрение высокопроизводительного оборудования с алмазным и твердосплавным инструментом. Крупные высокомеханизированные предприятия, оснащенные новейшим оборудованием с широким использованием алмазных инструментов, позволяют наиболее полно удовлетворять потребность строительства в облицовочных материалах.
Добыча сырья для производства нерудных материалов производится открытым способом, непосредственно с земной поверхности.
Добычу нерудных материалов производят одним или несколькими уступами. Высоту уступа задают исходя из физико-механических свойств разрабатываемых пород, применяемого оборудования, горнотехнических и климатических условий. Она составляет для твердых пород 10...15 м, а для мягких 8...10 м. Для скальных пород, разрабатываемых с помощью взрывов, высота уступа не должна превышать 20м.
Рыхлые породы (песок, гравийно-песчаные смеси) разрабатывают прямой экскавацией. На каждом уступе карьера имеется один или несколько забоев. Забой — это рабочая площадка добывающего механизма, часть поверхности уступа, на которой разрабатывают породу.
Разработку твердых и плотных горных пород производят, как правило, с применением буровзрывных работ, которые обеспечивают как отделение породы от горного массива, так и дробление негабаритных кусков. Необходимо при этом подчеркнуть, что буровзрывной метод рыхления применим в тех случаях, когда показана недостаточная эффективность рыхления механического и гидравлического.
Лесные материалы
Обычно изучают три основных разреза ствола: поперечный, радиальный и тангенциальный. Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Кора состоит из кожицы или корки, пробковой ткани и луба. Корка защищает дерево от вредных влияний среды и механических повреждений. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни. Под лубяным слоем у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток. В древесине содержится влага: 1) гигроскопическая – связанная в стенках древесных клеток; 2) капиллярная влага – заполняет межклеточное пространство и полости клеток; 3)химически связанная влага. Предел гигроскопичности – 23-35% (в среднем берется 30%). Предел гигроскопичности – влажность, соответствующая полному насыщению стенок древесных клеток гигроскопической влагой при полном отсутствии свободной влаги. Влажность комнатно-сухой древесины – 10-12%. Влажность воздушно-сухой древесины – 15-18%. Равновесная влажность – влажность, которую приобретает древесина, находясь долгое время при определенной температуре и влажности окружающего воздуха. Стандартная влажность – это условное значение влажности, к которому следует приводить все показатели свойств древесины. Строганные и шпунтовые доски и бруски применяют для заделки углов между стенами и полом; поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок. Паркет бывает обыкновенный и щитовой. Паркетные планки (дощечки) изготовляют из твердых пород - дуба, бука, ясеня и др. Щитовой паркет имеет основание из досок или брусьев, на которые наклеен паркет, набранный из отдельных планок. Столярные изделия - оконные и дверные блоки с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами, столярные перегородки и панели для жилых и гражданских зданий. Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущенного шпона. Декоративную клееную фанеру изготовляют из березового, ольхового или липового шпона и облицовывают с одной или двух сторон строганным шпоном из ценных пород дерева (дуба, груши и т.п.) с красивой текстурой либо полимерными пленками. Декоративную фанеру применяют для внутренней отделки стен, перегородок, дверных полотен, встроенной мебели и т.п. Кровельные материалы для временных зданий выпускают следующих видов: стружку, дрань, плитки деревянные и гонт. Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидкими полимерами. Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели. Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных пород. Столярные плиты - это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон березовым или другим шпоном. Их применяют для дверей, перегородок и встроенной мебели. Древесно-слоистые пластики - это листы или плиты.
Пороки древесины:
-сучки – части ветвей, заключенные в древесине, нарушают однородность строения древесины;
-трещины – разрывы древесины вдоль волокон;
-сбежистость – это уменьшение диаметра круглых лесоматериалов от толстого к тонкому концу, превышающие нормальный сбег;
-закомелистость – резкое увеличение нижней части ствола дерева;
-кривизна – искривление продольной оси бревен, обусловленное кривизной ствола дерева;
-крен – ненормальное утолщение поздней древесины в годовых слоях;
-завиток – местное резкое искривление годовых слоев под влиянием сучков и проростей;
-пасынок – отмерший толстый сук, пронизывающие ствол под острым углом к его продольной оси;
-прорость – обросший древесный участок поверхности ствола с омертвевшими тканями и отходящая от него радиальная трещина;
-рак – рана, возникающая на поверхности ствола растущего дерева вследствие жизнедеятельности грибков и бактерий.
Защита древесины от гниения: 1) применять сухую древесину; 2) использовать лаки, краски для предотвращения водопоглащения в период эксплуатации; 3) применение антисептиков.
Защита древесины от возгорания: 1) отдаление деревянных частей сооружений от источников нагревания; 2) наносят огнезащитные составы.