Chương 2 : VẬT LIỆU XÂY DỰNG KHOÁNG TỰ NHIÊN
2.1. VẬT LIỆU ĐÁ
2.1.1. Khái niệm
Đá là một tổ hợp của một hay nhiều loại khoáng vật. Đá chỉ gồm một loại khoáng vật
gọi là đá đơn khoáng, đá gồm nhiều khoáng vật gọi là đá đa khoáng.
Khoáng vật là hợp chất hoá học được tạo thành do kết quả của những q trình hố lý
khác nhau xảy ra trong vỏ trái đất. Khoáng vật là cơ sở tạo nên đá thiên nhiên. Đá là tổ hợp cộng sinh của nhiều khống vật được hình thành trong cùng một điều kiện hóa lý.
Vật liệu đá là vật liệu xây dựng được sản xuất bằng cách gia cơng cơ học (nổ mìn, đập, nghiền, cưa, đục, chạm và đánh bóng...) các loại đá thiên nhiên.
Vật liệu đá dùng trong xây dựng được khai thác từ đá nguyên khối hoặc từ các sản phẩm
phong hoá. Vật liệu đá thiên nhiên vẫn giữ nguyên được những tính chất cơ bản của đá gốc. Do đó, để nghiên cứu vật liệu đá thiên nhiên cần tìm hiểu về đá và các khoáng vật tạo đá.
Các vật liệu đá được lựa chọn và sử dụng phổ biến trong xây dựng thường cường độ cao, khả năng trang trí tốt, bền vững trong mơi trường, hơn nữa nó là vật liệu có sẵn trong địa phương, do đó giá thành tương đối thấp (khơng tốn cơng vận chuyển). Bên cạnh những điểm cơ bản trên, vật liệu đá cũng có một số những khuyết điểm như: khối lượng thể tích lớn, vận chuyển và thi cơng khó khăn, ít nguyên khối và độ cứng cao nên quá trình gia cơng phức tạp.
2.1.2.Phân loại đá
Đá trong tự nhiên có thể phân loại theo thành phần khống vật hoặc theo điều kiện thành tạo.
Theo khoáng vật chia thành các loại:
+ Đá đơn khống (đá vơi, đá thạch cao…) được thành tạo từ một khoáng vật tạo đá chủ yếu.
+ Đá đa khoáng (granit…) được thành tạo từ hai hay nhiều khoáng vật tạo đá.
Theo điều kiện thành tạo: chia thành các loại đá macma, đá trầm tích và đá biến chất. + Đá macma: được thành tạo hình thành do rắn chắc khối macma nóng chảy trên bề mặt trái đất hoặc trong lịng đất.
Căn cứ vào hàm lượng oxit silic trong đá có thể chia đá macma thành 4 loại: Đá macma axit: khi hàm lượng SiO2 >65%;
Đá macma trung tính: khi hàm lượng SiO2 =55-65%; Đá macma mafic: khi hàm lượng SiO2 =55-45%; Đá macma siêu bazơ: khi hàm lượng SiO2 <45%.
+ Đá trầm tích: hình thành do sự lắng đọng và kết dính của các hạt vật liệu (keo, lơ lửng và hạt vụn) trong mơi trường nước (dịng chảy, bể trầm tích).
+ Đá biến chất: hình thành do quá trình biến đổi các đá mác ma, trầm tích dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao như đá hoa, đá gơnai, đá phiến sét…
2.1.3. Phân loại vật liệu đá
Để tạo điều kiện sử dụng hợp lý và có hiệu quả, cần phải kiểm tra chất lượng vật liệu đá theo tính chất cơ lý và phân loại chúng. Việc phân loại vật liệu đá có thể theo nhiều cách khác nhau:
23
Theo khối lượng thể tích: vật liệu đá chia thành loại đá nặng và đá nhẹ.
+ Đá nhẹ: v < 1800 kg/m3, chủ yếu làm tường cách nhiệt và làm cốt liệu cho bê tông nhẹ.
+ Đá nặng: v ≥ 1800 kg/m3, dùng để xây móng, tường chắn, xây dựng cơng trình thuỷ lợi, làm đường, làm cốt liệu cho bê tông nặng, gia công để làm đá ốp lát.
Theo cường độ chịu nén, chia ra làm các mac đá.
+ Đá nhẹ, có 6 mac: 5, 10,15, 75, 100 và 150.
+ Đá nặng, có 7 mac: 100, 150, 200, 400, 600, 800,1000.
Các chỉ số 5,10,…tương ứng với cường độ kháng nén là 5, 10,…kG/cm2 .
Theo hệ số hoá mềm, vật liệu đá được chia ra:
+ Km < 0.6, đá dùng nơi khô ráo; + Km = 0.6-0.75, đá dùng nơi ít ẩm ướt; + Km = 0.75-0.9, đá dùng nơi ẩm ướt; + Km > 0.9, đá dùng được trong nước.
Theo hình dáng kích thước gồm các loại:
+ Đá hộc: những viên chưa qua gia cơng đẽo gọt, khơng có dạng hình học nhất định, kích thước 150-450mm, G =20-40kg;
+ Đá khối: những viên có qua gia cơng cơ học, hình dáng thường là khối hình chữ nhật, thường gọi là đá đẽo: đá đẽo thô, đá đẽo vừa và đá đẽo kỹ;
+ Đá tấm: những viên đá có chiều dày bé hơn so với kích thước cịn lại; + Đá dăm: đá có d=5-70mm;
+ Cát: có d = 0.14-5mm; + Bột đá: d < 0.14mm.
Theo mục đích xây dựng: đá xây móng, làm cốt liệu cho bêtông xi măng, bêtông atphan,
vật liệu trang trí, ngun liệu sản xuất vơi, xi măng, ....
Theo quá trình sản xuất: chia thành các loại vật liệu đá có qua gia cơng cơ học và vật
liệu đá không qua gia công cơ học.
Ngồi ra cịn một số cách phân loại khác tuỳ thuộc vào mục đích xây dựng.
2.1.4. Một số tính năng xây dựng của đá
Một số đặc trưng cơ bản của vật liệu đá :
- Khối lượng riêng biến đổi trong khoảng hẹp từ 2.60 đến 2.75 g/cm3.
- Khối lượng thể tích quyết định các tính chất chủ yếu của đá như cường độ chịu lực và tính bền.
- Độ hút nước của đá thấp, độ hút nước theo khối lượng thường nhỏ hơn 1. - Ở nhiệt độ >9000C đá dễ bị phá hủy.
- Khả năng chịu phong hoá của đá tuỳ thuộc vào thành phần hoá học và khoáng vật của đá.
- Cường độ chịu lực tương đối cao.
Vật liệu đá có thể được sản xuất từ các loại đá thiên nhiên khác nhau. Đặc tính xây dựng của một số loại đá chủ yếu:
Đá granit (hoa cương): đá có màu tro nhạt, vàng nhạt hoặc màu hồng, các màu này
xen lẫn những chấm đen. Đây là loại đá rất đặc, khối lượng thể tích 2000 - 2700 kg/m3, khối lượng riêng 2700 kg/m3, cường độ chịu nén cao 100 - 250 MPa, độ hút nước thấp (HP < 1%), độ cứng 6 - 7 Mohr, khả năng chống phong hóa rất cao, khả năng trang trí tốt nhưng khả năng chịu lửa kém. Đá granit được sử dụng rộng rãi trong xây dựng với các loại sản phẩm như: tấm ốp, lát, đá khối xây móng, tường, trụ cho các cơng trình, đá dăm để chế tạo bê tơng ....
24
Đá gabrơ: đá có màu xanh xám hoặc xanh đen, khối lượng thể tích 2000 - 3500 kg/m3. Đây là loại đá đặc, có khả năng chịu nén cao 200 - 280MPa. Đá gabrô được sử dụng làm đá dăm, đá tấm để lát mặt đường và ốp các cơng trình.
Đá sienit: là loại đá trung tính, gồm những tinh thể có kích thước khác nhau. Đá có màu
tro hồng, khối lượng riêng 2700 - 2900 kg/m3, khối lượng thể tích 2400 - 2800 kg/m3, cường độ chịu nén giới hạn 1500 2000 daN/cm2. Ứng dụng của sienit giống như granit.
Đá điorit: có màu xám, xám lục, khối lượng thể tích 2800 - 3300 kg/m3, cường độ chịu nén giới hạn 1500 2800 daN/cm2. Điorit dai, có khả năng va chạm tốt, chống phong hóa cao và dễ đánh bóng nên được sử dụng để làm mặt đường và tấm ốp.
Đá bazan: đá là loại đá nặng nhất trong các loại đá mác ma, khối lượng thể tích 2900-
3500 kg/m3; cường độ nén 100 – 500 MPa; rất cứng, giòn, khả năng chống phong hóa tương đối cao, rất khó gia cơng. Trong xây dựng, đá bazan được sử dụng làm đá dăm, đá tấm lát mặt đường hoặc tấm ốp.
Đá điaba: là loại đá mafic tương tự gabro, có kích thước hạt khác nhau, màu lục, cường
độ chịu nén đến 4500 daN/cm2, khả năng chống va chạm tốt và ít bị mài mịn. Đá điaba dùng để sản xuất vật liệu đá làm đường.
Tro núi lửa: đá dạng bột màu xám, hạt lớn hơn - cát núi lửa. Thành phần của tro và cát
núi lửa chứa nhiều SiO2 ở trạng thái vơ định hình, chúng có khả năng hoạt động hố học cao. Tro núi lửa là nguyên liệu phụ gia dùng để chế tạo xi măng và một số chất kết dính vơ cơ khác.
Đá bọt: Đá là loại đá rất rỗng được tạo thành khi dung nham nguội lạnh nhanh trong
khơng khí. Các viên đá bọt có kích thước 5 - 30 mm, khối lượng thể tích trung bình 800 kg/m3. Đây là loại đá nhẹ, kích thước lỗ rỗng lớn và kín nên độ hút nước thấp, hệ số dẫn nhiệt nhỏ (0,12 - 0,2 kcal/m.0C.h). Cát núi lửa và đá bọt thường được dùng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ.
Thạch cao (CaSO4.2H2O), sử dụng để sản xuất chất kết dính bột thạch cao xây dựng. Đá vôi: bao gồm hai loại - đá vôi rỗng và đá vôi đặc.
Đá vơi rỗng gồm có đá vơi vỏ sò, thạch nhũ, loại này có khối lượng thể tích 800- 1800kg/m3, cường độ nén 0.4 - 15MPa. Các loại đá vôi rỗng thường dùng để sản xuất vôi hoặc làm cốt liệu cho bê tông nhẹ.
Đá vôi đặc bao gồm đá vơi canxit và đá vơi đơlơmit. Đá vơi canxit có màu trắng hoặc xanh, vàng, khối lượng thể tích 2200 -2600 kg/m3, cường độ nén 10-100 MPa. Đá vôi đặc thường dùng để chế tạo đá khối xây tường, xây móng, sản xuất đá dăm và là nguyên liệu quan trọng để sản xuất vôi, xi măng. Đá vôi đôlômit là loại đá đặc, màu đẹp, được dùng để sản xuất tấm lát, ốp hoặc để chế tạo vật liệu chịu lửa, sản xuất đá dăm.
Đá gơnai (đá phiến ma): hình thành do đá granit tái kết tinh và biến chất dưới tác dụng
của áp lực cao. Loại đá này có cấu tạo phân lớp nên cường độ theo các phương cũng khác nhau, dễ bị phong hóa và tách lớp, được dùng chủ yếu làm tấm ốp lòng hồ, bờ kênh, lát vỉa hè.
Đá hoa: hình thành do đá vơi hoặc đá đôlômit tái kết tinh và biến chất dưới tác dụng
của nhiệt độ cao và áp suất lớn. Loại đá này có nhiều màu sắc như trắng, vàng, hồng, đỏ, đen xen kẽ những mạch nhỏ và vân hoa, cường độ nén 120 - 300 MPa, dễ gia công cơ học, được dùng để sản xuất đá ốp lát hoặc sản xuất đá dăm làm cốt liệu cho bê tông, đá xay nhỏ để chế tạo vữa granit.
Diệp thạch sét (đá phiến sét): hình thành do đất sét bị biến chất dưới tác dụng của áp
lực cao. Đá màu xanh sẫm, ổn định đối với khơng khí, khơng bị nước phá hoại và dễ tách thành lớp mỏng. Được dùng để sản xuất tấm lợp.
2.1.5. Các dạng vật liệu đá dùng trong xây dựng và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng
Tùy theo kỹ thuật khai thác và kích thước của đá, có thể phân thành các loại vật liệu đá sau:
25
2.1.5.1. Đá hộc
Đá hộc được lấy bằng phương pháp nổ mìn khơng cần gia cơng đẽo, gọt. Viên đá dày ít nhất là 10cm, dài 25cm, bề rộng tối thiểu gấp 2 lần bề dày. Mặt khơng được lồi lõm q 3cm, kích thước khoảng 150-140mm, khối lượng 20-40kg, được sản xuất từ các đá vôi, đôlômit, cát kết và granit.
Bằng phương pháp khoan nổ mìn, phá hủy đá gốc để sản xuất đá hộc (trừ đá trầm tích). Đá gốc phải có cường độ nén giới hạn lớn hơn 10MPa và hệ số hố mềm lớn hơn 0.75.
Tuỳ hình dạng và mac đá mà có thể sử dụng để xây móng, mố trụ cầu, tường chắn, làm nền đường ơ tơ và xe lửa, xây các cơng trình thuỷ lợi hay làm cốt liệu cho bê tông. Đá hộc dùng để làm mái bằng, mái nghiêng, sân tiêu năng...của những cơng trình nhỏ u cầu chống thấm khơng cao.
2.1.5.2.Đá chẻ
Đá chẻ được sản xuất bằng phương pháp nổ mìn hoặc dùng chém sắt. Đá chẻ phải có bề mặt tương đối phẳng; sau khi chẻ, cần đẽo bằng đục và búa con bề mặt còn lồi lõm nhiều hoặc chưa vuông vắn để bề mặt tương đối bằng phẳng và vuông vắn. Đá chẻ dùng xây lát với vữa phải đạt chất lượng của đá hộc và có bề mặt phẳng hơn. Đá chẻ thường dùng xây, lát các hạng mục cơng trình như đá hộc.
2.1.5.3.Đá đẽo
- Đá đẽo vừa là đá hộc được gia cơng thơ cho mặt ngồi tương đối bằng phẳng (độ lõm khơng q 10mm), vng vắn, bề mặt phải có cạnh dài nhỏ nhất là 15 cm, góc khơng được lồi lõm và không được nhỏ hơn 600.
Đá đẽo vừa dùng để xây tường nhà dân dụng, tường nhà máy bơm, mặt ngoài tường cánh gà, trụ pin chịu áp lực cột nước thấp.
- Đá đẽo kỹ là đá hộc được gia công tinh (kỹ), chiều dày và chiều dài của đá nhỏ nhất là 15cm và 30cm. Chiều rộng ở mạt phơ ra ngồi ít nhất gấp rưỡi chiều dày và khơng nhỏ hơn 25cm. Các mặt đá bằng phẳng, vuông vắn, độ gồ ghề không quá 1cm. Đá được sản xuất từ đá đặc có cường độ chịu nén lớn hơn 10MPa và hệ số hoá mềm lớn hơn 0.75
Đá đẽo kỹ dùng để xây phần dưới của các vịm cuốn có khẩu độ 2m trở xuống, mặt ngoài của trụ pin, tường đầu cũng như các bộ phận cơng trình chịu áp lực cột nước cao. Đá đẽo kỹ thường dùng để xây tường chịu lực, vòm uốn và một số bộ phận khác của cơng trình kiến trúc và giao thơng mang tính kỹ thuật cao. Khối xây khơng cần phải có lớp trát mặt.
2.1.5.4.Đá đồ hay đá kiểu
Đá đồ hay đá kiểu được chọn lọc rất cẩn thận và phải loại đá rất thuần chất, không bị nứt nẻ, gân, hà, phong hóa. Đá phải đều mặt, những hạt lăn tăn nhìn thấy trên các mặt các mảnh vỡ phải đều và khít, đủ tính chất cần thiết để sau khi xẻ thành phiến những mặt phơ ra ngồi được đều đặn.
Đá đồ hay đá kiểu dùng để xây rãnh van, rãnh phai (yêu cầu chống thấm cao), thếp dưới của các vịm cuốn có khẩu độ từ 2m trở lên và các bộ phận cơng trình u cầu thiết kế cần dùng đá đồ hay đá kiểu.
2.1.5.5.Vật liệu đá dạng tấm
Đá tấm là loại đá được cưa xẻ mài nhẵn thành từng tấm có đủ kích thước theo u cầu, trong đó có tấm ốp trang trí và tấm ốp đặc biệt. Đá mỏng dưới 1cm dùng để ốp tường, trên 1cm dùng để lát nhà.
Vật liệu đá dạng tấm thường có bề dày bé hơn rất nhiều so với chiều dài và chiều rộng.
Tấm ốp trang trí có bề mặt chính hình vng hay hình chữ nhật, cạnh có kích thước
26
chắc và cắt ra từng tấm theo kích thước quy định. Tấm ốp thường dùng để ốp tường ngoài và tường của các cơng trình xây dựng dân dụng mục đích để trang trí và bảo vệ khối xây hay khối kết cấu.
Tấm ốp có cơng dụng đặc biệt là những tấm ốp được sản xuất từ các loại đá đặc có khả
năng chịu axit (granit, bazan, điabaz…) hay có khả năng chịu kiềm (đá hoa, đá vơi, manhêtít). Việc gia cơng giống như gia cơng các tấm ốp trang trí song kích thước các cạnh khơng vượt q 300mm. Các tấm ốp có cơng dụng đặc biệt dùng để lát nền và ốp cho những cơng trình thường xuyên chịu tác dụng của axit hay kiềm để bảo vệ kết cấu.
Tấm lợp mái được gia công từ đá diệp thạch sét bằng cách tách và cắt các phiến đá theo
hình dạng và kích thước quy định. Thơng thường tấm lợp hình chữ nhật kích thước 250x150 đến 600x300mm, chiều dày tuỳ theo phiến đá có sẵn (4-10mm). Đây là tấm lợp đẹp và bền.
2.1.5.6.Đá dăm
Đá dăm là loại vật liệu dạng hạt nhân tạo được sản xuất bằng cách xay, nghiền các loại đá gốc rồi sau đó sàng phân loại theo cỡ hạt. Tuỳ theo kích thước phân ra: đá dăm (5- 70mm), cát (0.14-5mm), bột đá <0.14mm.
+ Đá dăm: loại đá vụn có đường kính từ 0,5 đến 10cm. Ngoài ra, người ta cũng gọi đá (1x2); (2x3); (4x6)cm là các loại đá dùng trong xây dựng kích thước các cạnh theo cm tương ứng.
Tùy theo mục đích sử dụng mà lựa chọn đá gốc cho phù hợp:
+ Vật liệu rải đường cần đá gốc có cường độ cao, khả năng chống mài mòn lớn, hệ số hóa mềm Km>0.75;
+ Sản xuất cốt liệu cho bêtơng nhẹ cần đá gốc có độ rỗng lớn.
Các loại vật liệu dạng hạt nhân tạo thường sử dụng để sản xuất vữa, bê tông ximăng, bê tông atphan, …, đắp đường hoặc đắp đập, dùng để bột màu hay chất độn trong sản xuất vật liệu