Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ЗАКОНОМІРНОСТІ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРИРОДНОГО КАМЕНЮ

Всі мінерали і гірські породи мають певні залежностями їх властивостей від складу і структури. Але ці приватні залежності виходять з деяких узагальнених, коли одна з них виявляється загальною для численних різновидів природного каменю. Подібна загальна залежність стає закономірністю і може мати велике практичне значення при виборі каменю для будівельних цілей.

Вище зазначалося, що за складом породи можуть бути моно- і полімінеральними. Якісні характеристики перших визначаються властивостями їх породообразующего мінералу, формою і розміром його частинок, дефектами структури, типом хімічного зв'язку між частинками, макро- і мікропористої і т. П. Кварцитів, наприклад, передаються властивості їх породообразующего компонента кварцу: високі твердість, щільність і механічна міцність; малі деформативність (крихкість), раковістим зламу, висока стійкість до хімічного вивітрювання та ін. На фізико-механічні властивості вапняків відображаються характерні особливості породообразующего кальциту: порівняно легка розчинність в воді, низька твердість і досконала розщеплення, з якими пов'язана знижена міцність цих порід. Такий вплив властивостей кальциту відбивається також на властивостях мраморов, є метаморфизованними різновидами вапняків. І хоча високі температура і тиск дещо зменшують вплив кальциту як породообразующего компонента, його фізико-хімічні властивості і кристаллохимические особливості відіграють визначальну роль в процесі формування структури і властивостей мраморов. Але особливо чітко простежується негативний вплив досконалої спайності кальциту на міцність крупнокрісталліческіх різновидів карбонатних порід хімічного генезису. Зниження їх міцності при механічному впливі пояснюється перш за все руйнуванням частинок кальциту по площинах спайності, а також по межах їх контакту один з одним.

Відносно вапняків, осадових мономінсральних порід, чітко простежується наступна закономірність: у малоіорістих їх різновидів значення показників міцності, щільності, пружності і деяких інших властивостей наближаються до величинам показників тих же властивостей їх породообразующего мінералу кальциту. Ця ж закономірність справедлива для кварцитів і мармурів - порід метаморфічного генезису, незважаючи на те, що в умовах метаморфизации можуть порушуватися структура і властивості не тільки вихідної породи, але і її породообразующего мінералу (принцип Ле-Шательє), навіть при незмінному хімічному складі, т . е. у разі ізохіміческой перекристалізації.

Зі збільшенням пористості, а також з появою нещільностей в контактах і деяких інших структурних дефектів, що неминуче виникають при формуванні мономінеральних порід, їх пружні і міцні властивості інтенсивно знижуються.

Аналогічні явища відбуваються в полімінеральних породах, коли превалює кількісно породообразующий мінерал надає найбільш помітний вплив на формування певних властивостей породи. У магматичних порід, наприклад, гранітів, зі збільшенням вмісту кварцу, що має дуже високу межу міцності при стисненні (близько 2000 МПа), підвищується механічна міцність. Навпаки, збільшення кількості польового шпату і слюди в цих породах знижує їх міцність, що звичайно складає до 200 МПа для дрібнозернистих і до 120-140 МПа для крупнозернистих їх різновидів. Це відбувається внаслідок того, що польовий шпат не відрізняється високою межею міцності при стисненні, аналогічно кварцу (всього близько 170 МПа), а слюда з властивою їй високою, спайностью і здатністю утворювати площині ковзання сприяє механічного руйнування граніту з появою внутрішніх сколюють. При невеликій кількості слюди або повної її заміни роговий обманкою граніт набуває підвищені в'язкість і міцність (в тому числі і на ударну навантаження). З підвищенням пористості у виветрелих і одресвелих гранітів їх міцність швидко знижується, досягаючи 80-60 МПа і нижче. Аналогічне вплив збільшення пористості виявляється на показниках модуля пружності: при зростанні пористості в 5 разів, т. Е. З 0,6 до 3,0%, значення цього показника у крупнозернистого граніту знижується з 6,0 ■ 10 4 до 1,6 ■ 10 4 МПа і разом з тим у зв'язку з необоротним розхитування його структури одночасно відзначається підвищення залишкової деформації.

Багато осадові породи також є полімінеральними агрегатами, часто складаються з неоднакових за розміром уламків мінералів і гірських порід. Властивості цих складних порід (брекчий, конгломератів і ін.) Обумовлюються як властивостями самих уламків, так і особливо властивостями природного в'язкої речовини, що виконує роль матричного компонента. моно- або полімінераль- ного складу. Природні цементи можуть бути аморфними або кристалічними. Найміцніші-кварцовий, кремнистий і опаловий мономінеральні рівномірно-зернисті цементи. Значно поступаються їм по міцності разнозерністие поліміктовие цементи, що складаються з мінеральних зерен різного хімічного складу з неоднаковими розмірами частинок. Найменшою цементуючою здатністю відрізняються глинисті і розчинні сполуки (глини, гіпсу і ін.). Цю групу порід можна за аналогією порівнювати з штучними будівельними конгломератами (наприклад, з бетонами), формування структури яких відбувається під впливом в'язких речовин в заводських умовах.

Вище зазначалося, що на міцність та інші якісні показники гірських порід істотно впливає пористість. У породах вона може бути дуже грубої (туфи), великої (ракушечники), дрібної і найтоншої, непомітною навіть під мікроскопом (діатоміти). У породах розрізняють первинну пористість, зазвичай закриту, і тонкодисперсну, що залежить від характеру упаковки, форми і розміру часток, їх взаємного розташування, величини того початкового тиску, яке відчували породи в процесі формування структури. Пористість може бути також вторинної і найчастіше відкритої, що виникла на більш пізніх стадіях затвердіння породи або осаду, при розчиненні або заміщення в них окремих мінералів, особливо в результаті подальшого вивітрювання. Вторинні пори завжди мають більш стійкі і збережені розміри, так як, виникаючи в уже затверділої маси, вони в меншій мірі схильні до подальшого спрессовиваніе або заповнення новими мінеральними речовинами.

Будучи важливим структурним елементом, пори разом з мінеральними частинками безпосередньо і активно беруть участь у формуванні властивостей гірських порід. Б.П. Беліковим і іншими були виконані дослідження пружних характеристик багатьох гірських порід загальним імпульсним ультразвуковим методом. Вивчалися як ізотропні моно- і полімінеральні, так і анізотропні породи з визначенням модуля Юнга Е, модуля зсуву G, модуля об'ємного стиснення К, швидкості поширення поздовжньої хвилі Р і деяких інших параметрів пружних властивостей. Встановлено, що при досить малій пористості, наприклад, меншою 1%, пружні властивості мінералів і порід визначаються в основному їх мінеральним складом. Зі збільшенням ж пористості значення пружних і міцнісних властивостей знижуються відповідно до емпіричного рівнянням

де через М і Мо позначені будь-які з пружних властивостей (параметрів) каменю з порами (Л /) і без пір або з їх мінімумом (Мо), а через mi і m 2 - величини вторинної та первинної пористості.

Загальний характер впливу пористості на механічні властивості порід і мінералів можна висловити наочно у вигляді графічної залежності в системі координат "властивості = / (пористість)". Графік має вигляд складної екстремальної кривої, що складається з вершини і двох спадаючих від неї гілок (рис. 8.7). Вершина кривої відповідає найбільшим значенням параметрів пружності, міцності, щільності мінералів і порід, коли їх пористість гранично мала (менше 1%). На гілки, розташованої зліва від вершини екстремальної кривої, розташовуються показники властивостей, які знижуються в міру зростання первинної пористості порід. Це зниження характеризується порівняно помірною інтенсивністю, що викликається наявністю закритих дрібних і найтонших за своїми розмірами пір, особливо у мінералів. На абсолютні значення властивостей крім пористості впливають також характер внутрішніх зв'язків між мікро- і макрочастки мінеральної речовини, властивості мінералів і інші чинники, які обумовлюють, крім того, порівняно великий розкид досвідчених даних, особливо при випробуванні інтрузивних і метаморфічних порід.

Первинна пористість,% Вторинна пористість,%

Мал. 8.7. Схема дії закону створу в гірських породах і мінералах

Праворуч від вершини екстремальної кривої розміщується гілка інтенсивного спаду пружних і міцнісних властивостей при збільшенні вторинної (відкритої) пористості з характерними для неї більш великими порами. Розкид досвідчених даних тут менше, ніж у області лівої галузі, і зовсім незначний на відрізку кривої, близькою до вершини. Аналогічне збіг показників властивостей при зміні вторинної пористості відзначається і при випробуванні зразків з ефузивних і осадових порід.

У мономінеральних породах на максимум величин показників властивостей впливає, як зазначалося, рівень відповідних значень породообразующего мінералу; в полімінеральних - деякий усереднений їх рівень, обумовлений мінеральним складом, кількісним співвідношенням і характером зв'язків мінералів. А в обох випадках на величини екстремумів властивостей впливають наявність пір і мікропор, ступінь дефектності структури та ін. До екстремумам показників властивостей гірські породи і мінерали наближаються в результаті дуже тривалих процесів структуроутворення з поступовим набором в природних умовах таких параметрів, при яких виникає своєрідна оптимальна структура . Закономірне перебіг цих процесів в природі може перериватися стихійними, в тому числі тектонічними, ускладнюється вулканічною діяльністю явищами, які можуть різко змінювати і навіть переривати процес формування структур і властивостей порід як на обмежених, так і на величезних ділянках земної кори. Порушення закономірного процесу структуроутворення можливо також під впливом зміни кліматичних, географічних умов і інших чинників. В одному і тому ж родовищі можуть зустрічатися представники порід, різнорідні за структурою та властивостями, причому тільки деякі ділянки порід в даному родовищі можуть виявитися з оптимальною структурою і комплексом екстремальних значень властивостей в вершині кривої. Породи інших ділянок того ж родовища, що зазнали впливу несприятливих факторів, зазначених вище, не набувають оптимальної структури і не відрізняються високими показниками властивостей (наприклад, міцності). Незважаючи на те, що природний процес оптимізації структури може неодноразово перериватися, він постійно і послідовно триває в часі, оскільки пов'язаний в кінцевому підсумку з наближенням її до рівноважного стану і наростання термодинамічної стійкості гірських порід.

Залежність властивостей природного каменю від складу і оптимальної структури відображає об'єктивно існуючу закономірність, яку при узагальненні численних досвідчених даних можна виразити таким чином: при певному наборі структурних параметрів формується оптимальна структура природного каменю, при якій є комплекс екстремумів механічних і деяких фізичних властивостей, безпосередньо пов'язаних зі структурою і відображають її характер. Діє і зворотний зв'язок: комплекс екстремумів властивостей гірської породи або мінералу відображає наявність оптимальної структури з характерними для неї відносною однорідністю, мінімальної пористістю, мінімумом інших мікро- і макроструктурних дефектів, з найбільш стійким рівноважним станом внутрішніх зв'язків, з мінімумом внутрішньої вільної енергії, з дрібнозернистої щільною кристалличностью або безперервної просторової сіткою (прошарком) цементуючого речовини, з оптимальним вмістом стеклофази і наявністю інших структурних параметрів у відповідному їх наборі. Ці закономірності проявляються як щодо твердих, так і упруговязкопластічних природних утворень, до яких відносяться глини, суглинки, леси, крейда, гіпси, асфальтові породи і ін. Вони служать основою тотожного закону створу, розкритого в теорії ІБК.

Спостерігається також інша закономірний зв'язок між властивостями головного породообразующего мінералу і властивостями породи зі спадом показників властивостей у міру накопичення дефектів структури, яка є також узагальнюючої основою закону конгруенції в теорії ІБК (див. 3.2). Така тотожність закономірного зміни властивостей під впливом структурних параметрів у природного каменю і ІБК виникає при подібних процесах, які характерні як для природного генетичного, так і заводського технологічного періодів. В обох цих випадках, при формуванні структур і властивостей, простежується вплив законів кристалізації з розчинів і розплавів, закону евтектики, правила фаз та ін. Різниця полягає лише в тому, що в короткі технологічні періоди виробництва ІБК можна направлено регулювати процеси структуроутворення, уникаючи впливу елементів випадковості і аномальних відхилень, які можливі при формуванні структур і властивостей порід в природних умовах. Саме тому більш чітко висловилися закономірності створу, конгруенції і ін., Відомі в теорії ІБК, що базуються на логічно узагальненому і великому практичному матеріалі. У природі ці об'єктивні закономірності виявляються найбільш повно і об'єктивно, хоча розкрити їх складніше, ніж у ІБК.

 
<<   ЗМІСТ   >>