Свойства природных каменных материаловx

СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Свойства природных каменных материалов определяются, в первую очередь,
свойствами той горной породы, из которой их получают. Качество горной породы
зависит от происхождения (генезиса), минералогического состава, строения
(структуры), сложения (текстуры) и степени выветривания. Обширное разнообразие
структур и текстур горных пород вызывает такое же разнообразие - Строительнотехнических свойств каменных материалов. Изучение этих свойств имеет важное
значение при оценке горной породы как сырья для получения каменных материалов,
а также и для определения качества самих каменных материалов и степени их
пригодности для строительства.
Качество горных пород и каменных материалов из них, применяемых в дорожном и
мостовом строительстве, определяется путем изучения:
физических свойств горной породы, к которым относятся плотность, объемная
насыпная масса, пористость, влажность, водонасы щаемость, морозостойкость,
цементирующая способность, теплопроводность, звукопроводность и пр.;
механических свойств - прочности при сжатии, разрыве, дроблении, ударной
нагрузке (вязкость), сопротивления истиранию, износу и др.;
соответствия формы, размеров и качества обработки каменных материалов (щебня,
шашки, брусчатки, бортового и бутового камня) заданным стандартами или
инструкциями.
Свойства каменных материалов определяются в лабораториях по образцам средней
пробы, а также по результатам наблюдения за поведением материала на опытных
участках.
Изучая методы испытания каменных материалов и их результаты, всегда следует
иметь в виду, что они до некоторой степени условны и не всегда могут правильно
указать о возможном поведении материала в деле. Для объективного изучения
свойств материалов требуется точное выполнение испытаний, накопление большого
количества данных по испытаниям, изучение и анализ этих данных и, наконец,
сличение их с уже известной практикой поведения материала в деле. Несовершенство
методов определения свойств материалов, неряшливость в определениях и
разрозненность показателей приводят к ошибочным выводам о качестве материала.
Умение точно определять свойства материалов особенно важно при использовании
для строительства местных, малоизвестных каменных материалов.
Оборудование для испытаний в лабораториях при строительствах, условия и
последовательность испытаний должны строго отвечать требованиям
соответствующих ГОСТ и инструкций.
Для любых лабораторных испытаний очень ценными являются данные
предварительных теологических, визуальных определений образцов породы на месте,
непосредственно в полевых условиях.
По правилам геологии, при помощи простых приспособлений и реактивов
(бинокулярной или простой лупы, линейки с миллиметровым делением, ножа,
стальной иглы, кислот, паяльной трубки) можно зачастую определить минералы,
слагающие породу, ее структуру и текстуру, что изучается в курсе геологии.
Среднюю пробу отбирают из месторождения горной породы или от партии
поставляемого каменного материала, и она должна характеризовать среднее качество
всего месторождения или партии. Порядок и метод отбора средних проб обычно
указывается в соответствующих ГОСТ или инструкциях.
А) Физические свойства
Согласно единой Международной системе единиц (СИ), старые понятия удельный
вес, объемный вес, объемный насыпной вес заменены для более точного обозначения
понятиями соответственно плотность, объемная масса и насыпная масса. Единицей
измерения этих величин в системе СИ является килограмм на кубический метр
(кг/м3). В качестве дольных и кратных единиц измерения в технике применяют грамм
на кубический сантиметр (г/см3), тонна на кубический метр (т/м3).
Плотность (удельный вес) исходной горной породы определяется как отношение
покоящейся массы минерального вещества без пор и пустот к ее объему.
Для определения плотности образец горной породы измельчают и просеивают через
сито с отверстием 0,15 мм, затем высушивают. При определении плотности с
помощью пикнометра из высушенного порошка отвешивают два образца массой по
10 г каждый (т) для параллельного испытания. Каждый образец высыпают в сухой
пикнометр, заливают до половины объема пикнометра водой и кипятят 15-20 мин.
Затем охлаждают, доливают водой до метки и взвешивают (т2). После этого
взвешивают этот же пикнометр наполненный чистой водой до метки (т1). Плотность
вычисляют по формуле
При определении плотности в объемомере из высушенного порошка отвешивают
образец массой 80 г (m1). Затем в объеомер, наполненный до нижней черты
обезвоженным керосином, всыпают порошок до тех пор, пока уровень керосина не
поднимется до верхней черты, т. е. на 20 мл (V). Остаток образца взвешивают (m2) и
вычисляют плотность по формуле
р = (m2-m1) / V
Плотность большинства каменных материалов находится в пределах 2,7-2,9 г/см3,
причем в изверженных породах она выше, чем в осадочных, например: плотность
базальта, диабаза, габбро, диорита доходит до 3,2 г/см3.
Б) Объемная масса
Объемная масса (объемный вес) - это масса единицы объема высушенного камня с
порами в природном состоянии. Выражается объемная масса в граммах на
кубический сантиметр (г/см3), или в килограммах на кубический метр и вычисляется
до формуле
р0=m / V
Массу образца т определяют простым взвешиванием, а объем V - несколькими
способами. При правильной геометрической форме образца с ровными
поверхностями объем определяют прямым обмером. Наиболее точно объем
определяется гидростатическим взвешиванием по массе вытесненной воды.
Объемная масса горной породы численно всегда меньше плотности, так как масса
данного материала в природном состоянии (с порами) занимает больший объем, чем
такая же масса без пор. Например, объемная масса гранита примерно равна 2,6 г/см3,
а плотность его 2,7 г/см3; объемная масса артикского туфа 0,75-1,4 г/см3, а его
плотность - 2,7-2,8 т/см3.
Объемная масса каменного материала зависит от пористости и от минералогического
состава, потому что различные минералы имеют различную плотность. Знание
объемной массы материала необходимо для расчетов при проектировании и
строительстве сооружении.
В дорожно-мостовом строительстве широко используются рыхлые, сыпучие
материалы (щебень, гравий, песок, различные вяжущие) .
При подборе бетонных смесей, при складировании, транспортировании необходимо
знать массу свеженасыпанных материалов. Масса этих материалов будет меньше
объемной массы отдельных зерен и кусков каменного материала за счет пустот между
отдельными зернами, заполненными воздухом. Поэтому введено еще одно понятие насыпная масса.
Насыпная масса (объемный насыпной вес) - это масса сыпучего материала в
единице объема вместе с пустотами. Выражается насыпная масса в килограммах на
кубический метр (кг/м3) или в тоннах на кубический метр (т/м3) и вычисляется по
формуле
рн=m / V
Массу m определяют взвешиванием, объем V определяют в сосуде (ящике), свободно
заполненном сыпучим материалом.
Насыпная масса - величина непостоянная, изменяющаяся от многих факторов
(степени уплотнения, влажности, формы зерен и др.). Свободно высыпанный щебень
имеет меньшую насыпную массу, чем уплотненный. Песок сухой и слегка
увлажненный имеют разные насыпные массы. В данных случаях на насыпную массу
оказывает влияние пустотность сыпучего материала. Чем выше пустотность, тем
меньше насыпная масса.
Пористость и пустотность - это свойство каменного материала - иметь между
отдельными частицами (зернами, кристаллами, минералами) промежутки - поры, не
заполненные данным веществом. В порах сухого материала находится воздух или газ,
масса которого по сравнению с массой материала незначительна.
Порами называют мелкие ячейки в породе (до 2 мм), а промежутки между зернами
сыпучего материала или поры в материале размером более 2 мм называют пустотами
(пустотностью). Поры бывают открытыми (сообщающимися) и закрытыми. Вся
пористость называется истинной или общей. Таким образом, судить о пористости
каменного материала можно как о степени заполнения его массы воздухом, т. е.
порами.
Количественно пористость определяется объемом пор в единице объема массы
материала. Истинная пористость рассчитывается по формуле:
Vпор = (р - р0)*100 / р
где р - плотность, г/см3; р0 - объемная масса, г/см3; Vпор - пористость, %,
Пористость и пустотность оказывают большое влияние на такие свойства каменного
материала, как масса, водопоглощаемость, теплопроводность, звукопроводность,
морозостойкость, прочность. Каменный материал с незначительной пористостью (до
5%) более тяжелый, прочный, менее водопоглощающий и более морозостойкий. В
дорожном строительстве чаще всего применяют именно такой материал.
В) Водопоглощение
Водопоглощение - способность породы поглощать воду при длительном
выдерживании в воде, при нормальном атмосферном давлении и температуре 18-20°
С.
Для определения водопоглощения берут три - шесть образцов кубовидной формы с
длиной ребра около 6 см, высушивают до постоянной массы при температуре 105110° С, охлаждают и взвешивают (т). Затем образцы погружают в воду на 48 ч так,
чтобы слои воды был на 2 см выше образцов. Через 48 ч образцы вынимают,
вытирают влажной мягкой тканью и сразу каждый отдельно взвешивают (m1)
Водопоглощение вычисляют в процентах по массе Wm или" по объему Wоб по
следующим формулам:
W=(m1-m)*100/m или Wоб=(m1-m)*100/V
где V- объем образца в сухом состоянии, см3.
В зависимости от водопоглощения (в процентах по массе) каменные материалы
подразделяются: с очень большим водологлощением - более 8; с большим
водопоглощением - от 3 до 8; со средним водопоглощением - от 1,5 до 3,0; с малым
водопоглощением - менее 1,5.
Водопоглощение различных каменных материалов колеблется в больших пределах,
например, водопоглощение гранита составляет около 0,5%, а артикского туфа - 3034% по массе.
Водопоглощение позволяет судить о пористости камня, о его морозостойкости,
теплопроводности. Обычно водопоглощение материала меньше пористости, так как
вода не проникает в замкнутые поры, а в крупных порах ае удерживается. У
крупнопористых материалов водопоглощение значительно меньше пористости
(пустотности), например пористость известняка-ракушечника составляет от 40 до
65%, а водопоглощение - только 20-30% по объему. Каменные материалы с
водопоглощением менее 0,5% считаются морозостойкими и не подвергаются
испытаниям на морозостойкость. Водопо-глощенне отрицательно влияет также и на
прочность камня, о чем будет сказано ниже.
Водоотдача или влагоотдача - это свойство, характеризующее скорость удаления из
камня воды (высыхание), когда упругость паров воды в камне выше их упругости во
внешней среде. Водоотдача у разных каменных материалов различна и зависит от их
структуры и условий внешней среды. Свойство это определяется в лаборатории путем
высушивания водонасыщенных образцов до получения постоянной массы.
Показателем водоотдачи является время в часах, потребовавшееся для высушивания
образца до постоянной массы.
Г) Морозостойкость
Морозостойкость - способность горной породы в насыщенном водой состоянии
выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. При
замерзании вода увеличивается в. объеме примерно на 10% и образующийся лед
давит на стенки материала, понижает его прочность, а со временем и разрушает.
В дорожном покрытии каменный материал оказывается в особенно тяжелых
условиях. Осенью он почти всегда полностью насыщается водой, а зимой и. весной
попеременно замерзает и оттаивает. В то же время материал испытывает огромные
нагрузки от проходящих по дороге автомобилей.
Все породы с водопоглощением свыше 0,5% подвергаются испытанию на
морозостойкость. Это испытание проводят на образцах кубической формы размером
5x5x5 см или формы цилиндров с высотой и диаметром 5 см. Испытание заключается
в попеременном замораживании и оттаивании водонасыщенных образцов при
температурах минус 20° и плюс 20°. Количество циклов замораживания и оттаивания
принимается до 200 и более в зависимости от класса сооружения и условий работы
каменного материала в сооружении. Порода считается выдержавшей испытание на
морозостойкость, если на образцах не обнаружено повреждений в виде трещин,
расслаиваний, округлений ребер и углов.
Для породы, выдержавшей испытание на морозостойкость, определяют степень
снижения прочности, которую выражают коэффициентом морозостойкости.
Коэффициент морозостойкости Кмрз вычисляют по формуле:
Kмрз=Rмрз/Rc
где; Rмрз - предел прочности при сжатии образца, подвергавшегося замораживанию,
кгс/см2;
Rc - предел прочности при сжатии сухого образца, не подвергавшегося
замораживанию, кгс/см2.
Морозостойкие горные породы имеют коэффициент морозостойкости, близкий
единице. В образцах, не выдержавших испытание на морозостойкость, для большей
наглядности определяют потерю массы.
Испытание раствором сернокислого натрия (испытание па сохранность). Раствор
сернокислого натрия, которым насыщают поры камня, кристаллизуясь, увеличивается
в объеме и создает давление на стенки пор подобно замерзшей воде при определении
морозостойкости.
Образцы, такие же как и для определения морозостойкости и в том же количестве,
высушенные до постоянной массы, опускают в подготовленный раствор
сернокислого натрия на 20 ч. Затем их высушивают в течение 4 ч, охлаждают и вновь
опускают в раствор сернокислого натрия на 4 ч. Попеременное погружение образцов
в насыщенный раствор на 4 ч выполняют 5 раз, после чего образцы осматривают с
помощью лупы, отмечая все появившиеся повреждения. Затем образцы промывают
проточной водой до полного удаления сернокислого натрия, высушивают до
постоянной массы и определяют потерю массы каждого образца в процентах. За
окончательный результат принимают среднее арифметическое из трех определений
для однородных пород и из пяти —для неоднородных.
Е) Механические свойства
Механические свойства каменных материалов характеризуются их прочностью способностью сопротивляться разрушающему действию внешних механических сил.
В дорожно-мостовых сооружениях на каменные материалы действуют в основном
силы сжатия, ударов, истирания и др.
Прочность при сжатии. Предел прочности при сжатии определяют на образцах
горной породы в виде кубиков или цилиндров. Кубические образцы изготавливают на
дисковых или рамных пилах. Цилиндрические образцы высверливают на станке,
оснащенном коронкой, заправленной твердым сплавом или алмазами. Грани
образцов, на которые будет действовать нагрузка пресса, шлифуют и делают
параллельными на шлифовальном станке.
Каменные материалы, затронутые выветриванием, - пористые, в увлажненном
состоянии снижают прочность, поэтому установлено, что основным испытанием
прочности породы при сжатии является испытание водонасыщенных образцов.
Испытания проводятся на гидравлических и механических прессах мощностью от 60
до 100 тс.
Важным условием правильного определения механической прочности материалов
является определенная скорость и равномерность нарастания давления на образце.
Так, например, скорость и равномерность нарастания давления при испытании
каменного материала должны быть в пределах 3-5 кгс/см2 за 1 с.
Предел прочности при сжатии вычисляют по формуле:
Rсж=P/F
где Rсж - предел прочности при сжатии, кг/см2;
Р - наибольшая нагрузка, при которой произошло разрушение образца, кгс;
F - площадь опирания образца, см2.
Наряду с определением прочности горной породы при сжатии определяют прочность
при растяжении и сдвиге.
Испытания проводят на образцах правильной формы. Прочность на растяжение
определяют на разрывной машине.с приспособлением в виде специального захвата
цилиндрических образцов; на сдвиг - иа обычных прессах для сжатия с
приспособлением.
Для определения степени снижения прочности водонасыщенных каменных
материалов по сравнению с сухими введена численная характеристика в виде
коэффициента размягчения.
Таким образом, коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала и
определяется по формуле:
Kp=Rвл/Rсух
где Rвл - предел прочности при сжатии водонасыщенного образца, кгс/см2;
Rсух - предел прочности при сжатии сухого образца, кгс/см2.
Каменные материалы с коэффициентом размягчения более 0,8 относятся к
водостойким. При коэффициенте менее 0,8 каменные материалы нельзя применять
для устройства дорожной одежды и сооружений, которые в период эксплуатации
будут находиться в воде или во влажных условиях. Коэффициент размягчения
некоторых пород показан в табл. 1.
Таблица 1.
Предел прочности образцов при сжатии, Коэффициент
Порода
кгс/см2
размягчения,
воздушно-сухих
влажных
К
Песчаник
630
440
0,70
кремнистоглинистый
540
380
0,70
Песчаник глинистый
250
85
0,34
Известняк-ракушечник
Породы изверженные, плотные, мелкокристаллические имеют незначительное
уменьшение прочности в водонасыщенном состоянии, поэтому для каменных
материалов с водопоглощаемостью до 0,5% коэффициент размягчения и коэффициент
морозостойкости можно не определять.
По прочности при сжатии после водопоглощения каменные материалы разделяют на
марки (табл. 2). Часто за марку каменного материала принимают просто показатель
прочности при сжатии в килограммах на квадратный сантиметр (или в ньютонах на
квадратный метр), Например, марка 1200, марка 500 и т. п.
Таблица 2
№
Группа горных
пород
Горные породы
Петрографическая характеристика горной
породы
Граниты,
Полнокристаллическая структура мелко-,
сиениты,
средне- и крупнозернистая, от
диориты, габбро,
плотной до пористой текстуры. С
1 Изверженные
порфиры,
увеличением количества
трахиты,
кварца увеличивается прочность при
диабазы,
сжатии и хрупкость
базальты
КристаллическиеПолнокристаллическая и грубозернистая
2 Метаморфические
сланцы, гнейсы, до скрытокристаллической структуры,
3 Осадочные
кварциты,
мрамор
Доломиты,
известняки
Песчаники
№
1
2
3
плотная, иногда
с характерной сланцеватостью
От плотно кристаллической до слабосцементированной зернистой структуры
Породы преимущественно зернистой
структуры. Зерна сцементированы
различными цементами:
кремнистым, известковым, гипсовым и
глинистым Прочность зависит от цемента
Предел
Износ в
прочности при Дробимость в
Группа горных
полочном
сжатии,
цилиндре, %,
пород
барабане, %,
кгс/см2, не
не более.
не боле
менее
1200
16
25
Изверженные
1000
20
35
800
25
45
1200
16
25
Метаморфичес
1000
20
35
кие
800
25
45
600
34
55
1000
8
30
800
10
40
Осадочные
600
14
50
300
24
60
1000
25
800
35
600
4
Марка
каменного
материала
I
II
III
I
II
III
IV
I
II
III
IV
I
II
III
Ж) Прочность на удар
Прочность на удар. Свойство камня разрушаться под ударной нагрузкой называется
хрупкостью. Хрупкость каменного материала зависит от минералогического состава,
характера сцепления между отдельными минералами, цементирующего вещества, его
состояния, строения и сложения породы. Наиболее хрупкие породы: кварцит,
некоторые песчаники и изверженные породы стекловатого строения. Хрупкость
является отрицательным свойством каменного материала, применяемого для
устройства дорожной одежды.
Обратная величина хрупкости называется вязкостью. Чем большей вязкостью
обладает каменный материал, тем выше его строительные свойства.
Прочность на удар горной породы определяют на копре ПМ путем последовательных
ударов стальных цилиндров по образцу из щебня.
Прочность при истирании характеризует твердость каменного материала.
Прочность при истирании определяют на круге истирания, представляющий собой
прибор, основной рабочей частью которого является горизонтальный чугунный
вращающийся круг, на котором происходит истирание цилиндрического образца.
Показателем прочности при испытании является потеря массы образца в граммах на
квадратный сантиметр истираемой поверхности за 1000 оборотов круга.
Прочность горной породы на износ-истирание определяют в полочном
вращающемся барабане.
Это определение характеризует вязкость породы, применяемой для дорожных
каменных материалов. Показателем прочности на износ является потеря массы (в
процентах) пробы в виде щебня за 500 оборотов барабана.
Показатель прочности на износ при испытании в полочном барабане входит в
техническую характеристику горных пород.
Техническая классификация горных пород, применяемых для получения каменных
материалов в дорожно-строительных работах, приведена в табл. 2