مهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیمهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیآشنایی با کانیها و سنگها و کاربرد آنها :
آشنایی با کانیها و سنگها و کاربرد آنها :
سنگ
سنگ به موادی از پوسته زمین گفته می‌شود که از ترکیب یک یا چند نوع کانی با یکدیگر تشکیل می‌شوند.
معرفی کانیها
هر کانی متشکل از یک یا چند نوع عنصر است که در طبیعت بهم پیوسته و جامدی متبلور و غیرآلی را به وجود آورده‌اند. به طور کلی می‌توان گفت که هر کانی باید دو ویژگی داشته باشد : « جامد » باشد و « طبیعی ». هر کانی دارای ساختار درونی مشخص است که در آن اتم ها به نسبت‌های معینی وجود دارند و طبق الگوی هندسی منظمی در کنار هم قرار گرفته‌اند. این نظم اتمی یکی از بارزترین خصوصیت کانیها محسوب می‌شود و در تمام قسمت‌های آنها به طور یکنواخت وجود دارد و اگر تبلور در شرایط ایده آل صورت گرفته باشد ، حاصل آن پدیدار شدن سطوح بلورین کامل خواهد بود. حال اگر چند کانی - از یک نوع یا از انواع مختلف - با هم ترکیب شوند ، همانگونه که گفته شد سنگ به وجود می‌آید.
شناسایی کانیها به کمک خواص فیزیکی
هر کانی علاوه بر داشتن ساختار درونی معین ، از ترکیب شیمایی مشخص برخوردار است ، که فقط در محدوده معینی تغییر می‌کند؛ بنابراین هر کانی دارای خواص فیزیکی ویژه‌ای است. بیشتر خواص فیزیکی به نحو بارزی ثابت هستند. ساختمان بلورین کانی قابل جانشین شدن توسط اتمهای اصلی هستند و از این نظر به آجرهایی از جنس‌های مختلف می‌ماند که اندازه‌های تقریبا نزدیک هم دارند. بنابراین می‌توانند بدون تغییر شکل خارجی دیـــوار ، در جــای همدیگــر قرار گیــرند؛ به ایــــن جانشینــی « محلول جامد » یا « ایزومورفیسم » می‌گویند. کانی در این حالت درای ساختمان بلورین ثابت اما ترکیبی است ، که در محدوده معینی تغییر می‌کند و بعضی از خواص آن قابل تغییر است.
مهمترین خواص فیزیکی و روشهای شناسایی کانیها :
1- شکل بلور
۲- سختی
۳- رنگ کانی
۴- رنگ شعله
۵- واکنش پذیری
۶- جلای مرواریدی
۷- زاویه شکستگی کانی
چند نوع کانی
کوارتز : یکی از فراوانترین کانیهای پوسته زمین است ، که جزء اصلی بسیاری از انواع سنگها (آذرین ، رسوبی ، و دگرگونی) می‌باشد. خوشه‌ی بلورهای کوارتز معمولا به صورت گروه‌هایی از منشورهای باریک شش وجهی - با نوک هرمی - تشکیل می‌دهند. کوارتز یک کانی تقریبا بی‌رنگ و شفاف است.
فلنیت : یک سنگ آتش زنه و به رنگ صدفی است.
آگات : نوعی کالسدونی است ، که به علت تناوب رسوب‌گذاری لایه‌های رنگی وجود دارد.
فلدسپات‌ها : سیلیکات‌هایی از پتاسیم و سدیم و کلسیم بوده و از نظر خواص فیزیکی و شکل ظاهری بسیار شبیه هم هستند. فلدسپات‌ها را به دو زیر گروه پلاژیوکلاز (فلدسپات‌های منیزیم دار) و ارتوکلاز (فلدسپات‌های پتاسیم دار) تقسیم می‌کنند. رنگ پلاژیوکلازها سفید تا خاکستری کمرنگ و رنگ ارتوکلازها کرم روشن تا صورتی است. بیوتیت‌ها : یکی از انواع میکاها هستند که دارای رخ کامل و جلای مرواریدی شیشه‌ای هستند. همچنین ورقه‌های جدا شده ، دارای قابلیت انعطاف هستند و رفتاری لاستیکی دارند. این نوع کانیها سختی کمی دارند.
تالک : یک کانی ثانویه است؛ بدین معنی که در نتیجه دگرسانی کانیهای سیلیکانی منیزیم دار (مثل اولیوین و پیروکسن و آمفیبول) تشکیل می‌شود.
تفاوت سنگ با خاک
در علم زمین شناسی ، سنگ به موادی از پوسته‌ی زمین اطلاق می‌شود که از ترکیب یک یا چند نوع کانی ، درست شده است ؛ اما خاک توده‌ای از ذرات با دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگها برجای مانده است. البته در مهندسی و کارهای ساختمانی « قابلیت حفاری مصالح زمین شناسی » به عنوان شاخصی در طبقه‌بندی این گونه مواد به دو گروه سنگ و خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
منشأ شکل گیری سنگها و خرده سنگها
دو فرایند کوه زایی و کوه سایی در زمین ، موجب پدید آمدن محصولات سنگی می‌شود.
* عوامل کوه زایی
فشارهای مواد مذاب درون زمین را ، که به پوسته‌ی جامد وارد می‌شود ، می‌توان عامل فرآیند کوه‌زایی و خشکی زایی نامید.
* عوامل کوه سایی یا هوازدگی
هر فرآیندی را که باعث خرد شدن و تغییر شکل مواد سخت سطح زمین (سنگها) شود ، هوازدگی یا کوه‌سایی می‌نامند. عوامل فرسایش یا هوازدگی به دو گروه فیزیکی و شیمیایی تقسیم می‌شوند :
۱- هوازدگی شیمیایی
محصول هیدراتاسیون ، انحلال ، اکسیداسیون و یا عکس‌العمل آب‌های اسیدی با املاح تشکیل‌دهنده سنگها است. در این نوع هوازدگی ترکیب شیمیایی سنگها عوض خواهد شد.
2هوازدگی فیزیکی
در این نوع هوازدگی ، سنگها خرد شده و تغییر شکل می‌دهند ، اما ترکیب شیمیایی آنها بدون تغییر باقی می‌ماند. این پدیده در اثر عواملی چون انجماد آب در داخل درزو شکاف سنگها ، تغییرات دمای شبانه روزی و در نتیجه انبساط و انقباض سنگ ، نیروی جاذبه زمین ، رشد ریشه گیاهان در داخل سنگها ، باد ، جریان آب ، عمل حفاری جانوران خاک زی و حتی فعالیت‌های انسان در زمینه صنعت و بهره‌برداری از منابع زیرزمینی ایجاد می‌شود.
طبقه‌بندی سنگها از نظر ترکیب شیمیایی
چون کانیهای تشکیل دهنده سنگها متنوع هستند ، بسته به میزان وجود بعضی دیگر از ترکیبات شیمیایی که در آنها است ، سنگها را به چهار دسته تقسیم می‌کنند :
۱- کربنات‌ها
۲- سولفات‌ها
۳- اکسیدها
۴- سیلیکات‌ها
طبقه‌بندی سنگها از نظر نحوهٔ تشکیل
سنگها از نظر نحوه تشکیل به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند :
۱- سنگ‌های آذرین
۲- سنگ‌های رسوبی
۳- سنگ‌های دگرگون‌شده
سنگ‌های آذرین
به آن دسته از سنگهایی که مستقیما در اثر سرد شدن ماگما (مواد مذاب درون زمین که از ذوب سنگها حاصل شده است) به وجود می‌آیند ، سنگ آذرین می‌گویند. مواد مذاب گاهی به سطح زمین راه پیدا کرده و در روی زمین سرد می‌شوند (آذرین بیرونی) ، اما گاهی نمی‌توانند به سطح زمین برسند و در درون زمین سرد می‌شوند (آذرین درونی). سنگ‌های آذرین از بلورهای ریز یا درشت تشکیل شده‌اند. گرانیت ، گابرو و بازالت نمونه‌هایی از سنگ آذرین هستند.
سنگ‌های رسوبی
بعضی از سنگها بر اثر ته نشین شدن مواد داخل آب به وجود می‌آیند. رودها مقدار زیادی مواد را با خود به دریاها و دریاچه‌ها می‌برند. این مواد به دلیل سنگینی به ته دریا می‌روند. روی هم قرار می‌گیرند و پس از سخت شدن سنگهایی را به وجود می‌آورند که به آنها سنگ‌های رسوبی گفته می‌شود. سنگ‌های رسوبی لایه لایه هستند ، که رنگ یا جنس هر لایه با لایه‌ی دیگر متفاوت است. سنگ‌های رسوبی در کوه‌های البرز و زاگرس به فراوانی یافت می‌شوند. ماسه‌سنگ ، سنگ نمک (هالیت) ، سنگ گچ (ژیپس) و سنگ‌های آهکی نمونه‌هایی از سنگ‌های رسوبی هستند.
سنگ‌های دگرگون شده
اگر سنگ‌های آذرین و رسوبی مدت زمان زیادی در اعماق زمین بمانند ، بدون آنکه ذوب شده یا خرد شوند ، در اثر فشار و گرمای زیادی که بر آنها وارد می‌شود ، تغییر پیدا می‌کنند. این سنگها مانند آجر پخته شده و شکل قبلی خود را از دست می‌دهند؛ به همین دلیل به آنها سنگ‌های دگرگونی یا دگرگون شده می‌گویند. (مانند سنگ مرمر ، گنیس ، کوارتزیت و الماس)
کاربرد سنگها و کانیها
سنگها و کانیها در گذشته جهت ساختن وسایل زندگی ، خانه و جان پناه ، و سپس برای استخراج فلز و بعدها برای به دست آوردن زیورآلات مورد استفاده‌ی آدمی قرار گرفته‌اند. امروزه کاربرد سنگها و کانیها آنقدر متنوع شده است که کمتر فعالیت انسانی را می‌توان یافت که ارتباط مستقیم یا غیرمستقیمی با آنها نداشته باشد.به طور کلی ، سنگها و کانیها در تأمین انرژی (تولید نفت و زغال‌سنگ) ، مواد اولیه صنایع ، پزشکی و جواهرسازی کاربردهای فراوانی دارند.
انواع سنگ‌های ساختمانی
سنگ تراورتن موج دار
این سنگها در دسته‌های گوناگون و متنوعی نامگذاری می‌شوند ، که بعضا نام معدن سنگ به عنوان اسم آن استفاده می‌شود. رایج ترین سنگ‌های ساختمانی عبارتند از :
۱- گرانیت
۲- ماسه سنگها
۳- سنگ‌های آهکی
۴- کوارتزیت
۵- سنگ‌های رسی
۶- تراورتن
مشخصات کلی انتخاب سنگ برای مصارف ساختمانی
سنگ‌های مورد استفاده در کارهای ساختمانی باید دارای مشخصات زیر باشند :
۱- بافت سنگ باید ساختمانی سالم داشته باشد؛ یعنی بدون شیار ، ترک و رگه‌های سست باشد (یا به عبارتی کرمو نباشد).
۲- بدون هر گونه خلل و فرج باشد.
۳- پوسیدگی نداشته باشد.
۴- یکدست ، یکنواخت و همگن باشد.
۵- سنگ ساختمانی نباید آب زیاد جذب کند؛ بنابراین نباید :
الف- در آب متلاشی یا حل شود.
ب- تمام یا قسمتی از آن ، بیش از ۸ درصد وزن خود ، آب بمکد.
۶- سنگ ساختمانی نباید آلوده به مواد طبیعی و مصنوعی باشد.
۷- سنگ باید شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط را تحمل کند؛ لذا باید :
الف- در برابر باد ، یخبندان ، تغییرات دما و کلیه عوامل فرسایش مقاومت کند.
ب- در برابر محیطهای اسیدی و قلیایی و همچنین عمل آبکافت و اکسیداسیون مقاومت کند
۸- مقاومت فشاری برای قطعات باربر نباید کمتر از ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع باشد.
۹- در مقابل سایش مقاوم باشد.
طبقه‌بندی سنگ‌های طبیعی بر اساس BS812
- گروه بازالت : آندزیت ، بازالت ، پرفیریت‌های قلیایی ، دولومیت‌ها ، اپیدیوریت و لامپروفیر
- گروه فلینت : چرت و فلینت
- گروه گابرو : دیوریت قلیایی ، گنیس قلیایی ، گابرو ، هورن بلند ، نوریت ، پریدوتیت ، پیکریت و سرپانتینت
- گروه گرانیت : گنیس (گنایس) ، گرانیت ، گرانودیوریت ، پگناتیت ، کوارتز-دیوریت و سینیت
- گروه سنگ‌های ماسه‌ای و آذرین : آرکوز ، گریویک ، ماسه‌سنگ و توف
- گروه هورن فل : همه سنگ‌های ناشی از دگرگونی غیر از مرمر
- گروه سنگ آهک : دولومیت ، سنگ آهک و مرمر
- گروه شیست‌ها : فیلیت ، شیست و اسلیت
- گروه پروفیری : آپلیت ، داسیت ، فلسیت ، گرانوفیر ، گراتوفیر ، ریولیت ، کوارتز-پروفیـریت ، پروفیـری ، میکرو گرانیت و تراشیت
- گروه کوارتزیت : گانیستر ، ماسه‌سنگ‌های کوارتزیتی و کوارتزیت دوباره بلوری شده
فساد در سنگ
عامل اصلی فساد در سنگها اثر نمک‌های محلول بر آنها می‌باشد. آلودگی محیط ، یخبندان و پوسیدگی در قطعات فلزی و وجود رگه‌های ضعیف و همچنین عملیات اجرایی ضعیف نیز موجب تخریب سنگها می‌شود.
۱- اثر نمک‌های محلول :
چنانچه رطوبتی همراه خود نمک‌های محلول دار ، از سطح سنگ تبخیر شود ، مقداری نمک در سطح آن به صورت شوره و لایه‌ای هم در خلل و فرج سنگ باقی می‌گذارد. تداوم دور رطوبت - تبخیر موجب افزایش حجم بلورها و پوسته شدن سطح سنگ می‌گردد. لذا سنگهایی که متخلخل‌ترند در برابر نمک‌های محلول حساس‌ترند.
۲- آلودگی محیط :
- سنگ‌های دارای کانی کربنات کلسیم ، به خصوص در برابر محیطهای اسیدی ، حساس هستند. اکسید گوگرد در محیط مرطوب و اکسیژن موجود در هوا تولید اسید سولفوریک می‌کند ، که بر سنگ‌های آهکی اثر می‌گذارد و تولید سولفات کلسیم می‌نماید. سنگ‌های آهکی و ماسه‌سنگ‌های آهکی در این مورد حساس‌ترند.
- در مورد سنگ‌های آهکی ، سولفات کلسیم حاصل شده در سطح ، به وسیله آب شسته می‌شود. ولی در سطوحی که قابل شستشو نیستند ، سطح به وسیله دوده سیاه شده و مبدل به پوسته‌های سخت و برآمدگی‌هایی می‌شود که گرد آهکی در اطراف آن وجود دارد.
- در انواع سنگ‌های آهکی منیزیم دار ، ایجاد سولفات منیزیم ، روند فساد را تسریع می‌کند.
- در ماسه‌سنگ‌ها خلل و فرج توسط گچ (سولفات کلسیم ) پر می‌شوند و پوسته‌های سخت ایجاد شده ، اغلب به علت تفاوت انبساط حرارتی فرو می‌ریزند. ماسه‌سنگ‌های سیلیسی گرچه مستقیما بر اثر تهاجم اسیدهای موجود در هوا آسیب نمی‌بینند ، ولی سنگ گچ تولید شده توسط سنگ آهک موجب خرابی در آنها می‌شود.
- مرمر که اساسا کربنات کلسیم است مورد هجوم اسیدهای موجود در هوا قرار می‌گیرد و سطح صیقلی آن در مرور زمان زبر می‌شود ، ولی به علت بافت متراکم و چگال آن کمتر تحت تاثیر عمل تبلور قرار می‌گیرد.
۳- اثر یخبندان :
تخریب بر اثر یخبندان در قسمت‌هایی از ساختمان نظیر محل درپوش‌ها ، سایبان‌ها ، کرسی بنا و کف پنجره‌ها بیشتر دیده می‌شود. عموما سنگ آهک و دولومیت بیش از ماسه‌سنگ در معرض تهاجم اثر یخبندان هستند.
مرمر و گرانیت به علت تخلخل اندک تحت تأثیر یخبندان واقع نمی‌شوند.
۴- پوسیدگی فلزات :
آب بارانی که از سطوح مس و آلیاژهای آن به سطح سنگ آهکی می‌ریزد ، باعث ایجاد لکه‌های سبز رنگی می‌شود. زنگ زدگی حاصل از مواد آهنی و فولادی بسیار سخت و دشوار از روی سطوح متخلخل سنگها پاک می‌شــوند. بیشتــرین آسیب‌دیدگی ناشی از انبســـاط زنگ زدن قطعــات آهنـــی و فــولادی ، داخل سنگ کاری نما رخ می‌دهد؛ به این منظور کلیه قطعات فلزی مورد استفاده در نصب سنگ‌نما باید ضد زنگ باشند.
۵- آتش :
آتش به ندرت موجب تخریب کلی در کارهای سنگی می‌شود ، ولی سطح نمای گرانیت ، مرمر و ماسه‌سنگ‌ها ممکن است در اثر آتش ، سیاه یا خرد شوند. سنگ‌های آهکی عموما تحت تاثیر آتش قرار نمی‌گیرند ، فقط سنگ‌های با رنگ روشن به علت اکسید شدن ، آهن موجود در آنها برای همیشه صورتی رنگ می‌شوند.
