Основные физико-механические свойства строительных горных пород

Для лучшего понимания технологии и использования строительных горных пород необходимо предварительно изучить их основные физико-механические свойства, которые приводятся ниже.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.

Плотность — массовая плотность породы определяется как масса единицы объема, т.е. отношение покоящейся массы к ее объему:

где m — масса породы в килограммах (кг); V — объем породы в м3; Д — плотность породы в кг/м3.

Плотность — параметр вещества; единица плотности — килограмм на кубический метр (кг/м3) — в системе СИ.

Средняя плотность характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта физическая характеристика определяется путем деления массы m образца на его объем Vо и выражается ро = m/Vo в г / см3, кг/м3 или кг/дм3. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы. При влажных образцах указывается величина влажности, при которой определялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов (песка, щебня, гравия), называют насыпной плотностью, в величине которой отражается влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии (без учета пор, трещин и других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии). Определяется как отношение массы m материала, выраженной в г или кг, к объему У его в абсолютно плотном состоянии: р = m/V. Размерность истинной плотности — г/см3, кг/м3. Величина истинной плотности, как правило, больше средней плотности, так как подавляющее количество материалов содержат поры, трещины и др.

В то же время плотность материала — это степень заполнения его объема твердым веществом.

Если объем материала вместе с порами равен V1, а в абсолютно плотном состоянии V (меньше), то отношение V/V1 выражает плотность материала. Подставляя в это отношение V=G/y и V1 = G/yo (где G — масса сухого образца породы, у и уo — соответственно плотность и объемная масса породы), получим относительную плотность ao = уo/у. Относительная плотность выражается относительной величиной или в процентах: а = yo/y * 100 %.

Объемная масса — масса единицы объема породы в естественном состоянии при данной ее пористости и влажности. Объемная масса прямо пропорциональна плотности и обратно пропорциональна пористости и трещиноватости. Для оценки сыпучих материалов важное значение имеет насыпная объемная масса, т.е. масса единицы объема породы в разрыхленном состоянии. Насыпная объемная масса зависит от плотности породы, формы и выдержанности размера слагающих ее частиц.

Широкое применение в технике получили следующие единицы плотности, насыпной и объемной массы: тонна на кубический метр (т/м3); грамм на кубический сантиметр (г/см3); килограмм на кубический дециметр (кг/дм3); килограмм на литр (кг/л); грамм на миллилитр (г/мл); 1 г/см3 = 1 т/м3 = 1000 кг/м3.

Удельный вес. Удельный вес породы определяется как вес единицы объема породы, т.е. он равен отношению веса (силы тяжести) породы к ее объему:

где G — вес (сила тяжести) породы в ньютонах (H); V — объем породы в м3; у — удельный вес породы (Н/м3).

Системная единица удельного веса породы в системе СИ — ньютон на кубический метр (Н/м3).

Удельный вес породы зависит от ускорения силы тяжести в пункте его определения и, следовательно, не является параметром вещества.

Необходимость применения понятия удельного веса возникает в ряде случаев, например, при определении давления столба жидкости на дно или стенки сосуда, при определении давления с помощью жидкостных манометрических приборов. Вычислять удельный вес следует в этих случаях умножением плотности породы как справочной величины на ускорение силы тяжести в пункте измерения:

где Д — плотность породы в кг/м3; g — ускорение силы тяжести в пункте определения в м/с2; у — удельный вес тела в Н/ м3.

Системная единица силы в СИ — ньютон (H) — сила, сообщающая телу (породе) с постоянной массой в 1 кг ускорение в 1 м/с2. Кратные и дольные единицы силы: килоньютон (кН), меганьютон (МН), дециньютон (дН), миллиньютон (мН), микроньютон (мкН).

Силой тяжести или весом тела G называется сила притяжения тела к Земле. Численное значение веса или силы тяжести тела зависит от пункта измерения — от широты местности и высоты над уровнем моря; по мере удаления от Земли вес тела уменьшается.

В принципе вес тела определяют с помощью динамометрических приборов (в частности, взвешиванием на пружинных весах):

где G — вес тела в ньютонах (H); m — масса тела (породы) в килограммах (кг); g — ускорение силы тяжести в пункте измерения в м/с2.

Силу тяжести (вес) породы следует определять в единицах силы (Н. кН, MH и др.):

1 кгс (1 кг) = 9,80665 H (= 9,81 Н);

1 тс (1 т) = 9,80665*10в3 H = 9,80665 кН (=9,81 кН).

Для устранения путаницы следовало бы отказаться от применения понятия «вес» и при определении силы притяжения тела к Земле заменять его термином «сила тяжести».

Почти все строительные материалы — строительные горные породы обладают пористостью. Поэтому для определения абсолютного объема материал следует размельчить таким образом, чтобы в его частицах не осталось пор. Чем тоньше размолот материал, тем точнее будет определение плотности и больше ее величина. Вполне допустимо высушенный материал размалывать до получения частиц, проходящих через сито с отверстиями 0,2 мм.

Пористость материале — это степень заполнения его объема порами или совокупность пустот в породе, заключенных между минеральными частицами.

Пористость дополняет плотность до 1 или 100 %, т.е. пористость ро = 1 - уо/у или ро = у-уо/у * 100 % (где у— плотность породы; уо — объемная масса). По этим же выражениям вычисляют пустотность рыхлых материалов. Только в данном случае берут насыпную объемную массу, а вместо плотности — объемную массу кусков материала.

Пористость определяется также отношением объема всех пустот в массиве к объему сухой плотной массы без учета пустот и является одним из главных факторов, влияющих на прочность пород. Она может быть определена по выражению:

где Kn — коэффициент пористости, равный Kn = Д-уо/уо, где Д — плотность породы, т/м5; уо — объемная масса породы, т/м3. Пористость некоторых пород приведена в табл. 2.5.

Под пластичностью понимается способность глиняного теста изменять форму под давлением без образования трещин и сохранять полученную форму после того, как давление прекратится. Пластичность является важнейшим свойством, позволяющим формовать из глины различные изделия.

Так как степень пластичности глин важна для производства, ее необходимо определять количественно, например, по методу проф. П.А. Земятченского. При этом образец глины сжимают под возрастающей нагрузкой до появления первых трещин и измеряют его деформацию с помощью прибора (рис. 2.2).

Для изготовления образца глину замешивают с таким количеством воды, какое необходимо для формовки изделий. В зависимости от состава глины оно равняется 17—30 % от ее массы.

Из приготовленного глиняного теста скатывают несколько шариков диаметром 4,6 см и кладут их по очереди в прибор под нагрузку, которую увеличивают до тех пор, пока шарик при сжатии не растрескается. В этот момент определяют нагрузку и величину сжатия по шкале. Пластичность глины будет тем выше, чем большую нагрузку она выдержит, не растрескиваясь, и чем больше будет величина сжатия. Произведение нагрузки P на величину сжатия а называется коэффициентом пластичности Kпл (кг*см)

Этот коэффициент выражает величину работы, затраченной на сжатие глины до потери ею пластичности. Высокопластичные глины имеют Кпл не менее 3—3,5 кг*см.

Пластичность также — способность глинистого теста формоваться и сохранять приданную ему форму при сушке и обжиге. Она характеризуется числом пластичности и определяется как разность между влажностью, соответствующей нижней границе текучести глины W1, и влажностью пробы, соответствующей границе раскатывания глины W2:

Зависимость пластичности глинистых пород от влажности характеризуется их пределами пластичности, Пределы пластичности — это значения влажности породы (в %), при которых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое и из пластического в текучее. В первом случае — это нижний предел пластичности W2, во втором — верхний предел пластичности (предел текучести) W1.

Нижний предел пластичности глин соответствует такому coстоянию, когда вся вода находится в физически связанном виде, а верхний — когда содержание свободной воды становится настолько значительным, что нарушаются связи между минеральными частицами — глина течет.

Число пластичности П, равное разности верхнего и нижнего пределов пластичности, характеризует диапазон влажности, в пределах которого порода находится в пластическом состоянии. Например, если глина имеет естественную влажность 28,2 %, то ее нижний предел пластичности W2 = 23,8 %, а верхний — W1 = 83,3 %. Следовательно, число пластичности будет; П = W1 - W2 = 83,3-23,8 = 59,5.

Число пластичности некоторых глинистых пород приведено в табл. 2.6.

С увеличением числа пластичности глин возрастает их сжимаемость и уменьшается проницаемость.

По степени пластичности глины подразделяются на: высокопластичные (П > 25); среднепластичные (15 < П < 25); умереннопластичные (7 < П < 15); малопластичные (3 < П < 7); непластичные — не дающие глинистого теста (глинистые сланцы, аргиллиты и др.).

Пластичность суглинков находится в интервале 7 < П < 17, а число пластичности для супесей около 7.

Водопоглощение — это свойство материалов впитывать и удерживать воду. Оно характеризуется степенью заполнения объема материала водой.

Обычно водопоглощение материала меньше пористости, так как вода не проникает в замкнутые поры, а в крупных порах не удерживается и только смачивает их стенки. После извлечения материала из воды она частично вытекает из пор. Например, плотность обыкновенного кирпича составляет 2,5 г/см3, объемная масса — 1750 кг/м3 или 1,75 г/см3, поэтому пористость кирпича равна р = 2,5-1,75/2,5 * 100 = 30%; водопоглощение же составляет не более 16 % от массы или 16 -1,75 = 28 % от объема кирпича.

У крупнопористых материалов водопоглощение значительно меньше пористости; например, пористость ракушечника составляет от 40 до 65 %, а водопоглощение — только 20—30 % по объему.

Водопоглощение определяют по разности между массой образца материала, насыщенного водой, и массой сухого образца и выражают обычно в процентах от объема материала или от массы сухого материала.

Если обозначить массу материала в сухом состоянии через G, в насыщенном водой — через G1 и объем материала вместе с порами через V. то водопоглощение можно вычислить по следующим формулам:

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах; массовое водопоглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, плотного бетона — 2—3 %, плотных каменных материалов (гранита и др.) — 0,2—0,7 %. Массовое водопоглощение у легких материалов может быть больше пористости, объемное водопоглощение у любого материала не может быть больше пористости.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет ка их основные свойства: увеличивается объем, объемная масса и теплопроводность, понижается прочность вследствие ослабления связи между частицами материала. Прочность даже очень плотных каменных материалов после их продолжительного пребывания в воде ниже, чем в сухом состоянии.

Отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала называется коэффициентом размягчения, который характеризует водостойкость материала. Коэффициент размягчения изменяется в пределах от нуля (полностью размокающие материалы) до единицы (абсолютно плотные материалы). Установлено, что природные каменные материалы нельзя применять в строительных конструкциях, находящихся в воде и сырых местах, если коэффициент их размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это способность материалов пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости измеряется количеством воды в граммах, прошедшим через 1 см3 образца материала в течение 1 часа при постоянном давлении.

Влагоотдача — свойство материалов, противоположное водопоглощению. Влагоотдача характеризуется скоростью высыхания материала, т.е. количеством воды в процентах от массы или объема образца, теряемым материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха в 60 % и нормальной температуре (20°).

Гигроскопичность — способность пористых материалов поглощать некоторое количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Материалы, особенно мелкопористые, могут насыщаться также в силу подъема воды по капиллярам (так называемая капиллярная диффузия).

Морозостойкость — способность насыщенного водой материала выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание. При этом прочность морозостойкого материала понижается незначительно (не больше, чем на 20—25 %), видимых признаков ка нем (выкрашивания, трещин, расслаивания, потери более 5 % массы) не обнаруживается. От морозостойкости зависит в основном долговечность строительных материалов в сооружениях.

Известно, что некоторые строительные материалы на открытом воздухе постепенно разрушаются. Одна из важнейших причин, вызывающих это явление, та, что осенью материал увлажняется, а затем зимой и весной попеременно замерзает и оттаивает (иногда до 50 и более раз в течение одного года). При замерзании вода расширяется (объем воды при замерзании увеличивается приблизительно на 10 %) и давит на стенки пор материала. Если вода целиком заполняет доступные для нее открытые поры и не имеет возможности свободно расширяться, она может разорвать их стенки.

Метод определения морозостойкости материалов замораживанием и оттаиванием является трудоемким, Поэтому, если надо провести ускоренное испытание морозостойкости камня или кирпича, вместо замораживания образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и высушивают при 105°, повторяя это испытание 5 раз. Кристаллы сульфата натрия, образующиеся при этом а порах материала, давят на их стенки еще сильнее, чем вода при замерзании. Такое испытание является особенно жестким. Если материал его не выдерживает, приходится делать обычное испытание морозостойкости.

Истираемость. Зависит от твердости материала, что важно для эксплуатации полов, ступеней лестниц и др. На истираемость материалы испытывают в лабораториях, пользуясь кругами истирания, пескоструйными аппаратами или истирающими веществами — кварцевым песком или наждаком.

Истираемость выражают величиной потери первоначальной массы, отнесенной к 1 см2 площади истирания.

Если обозначать через G1 и G2 массу образца соответственно до и после испытания, через F — площадь истирания, то истираемость И выразится следующей формулой (в г/см2):

Показатели истираемости имеют такие значения (г/см2) для: гранита — 0,1—0,5; кварцита — 0,06—0,12; известняка — 0,3—0,8.

К блокам камня и изделиям из горных пород, предназначенным для устройства лестниц, полов и площадок, предъявляются требования по истираемости — истираемость должна быть не более 2,2 г/см2 при интенсивности движения менее 100 чел-час и не более 0,5 г/см2 при интенсивности движения более 100 чел-час.

Истираемость щебня (гравия) определяют и в полочном барабане диаметром 700, длиной 500 мм, снабженном на внутренней поверхности полкой шириной 100 мм и двенадцатью стальными или чугунными шарами диаметром 48 мм и массой 405 г каждый. В этом случае истираемость щебня (гравия) И в процентах вычисляют по формуле:

где m — масса пробы щебня (гравия), г; m1 — суммарная масса остатков на предохранительном и контрольном ситах после просеивания пробы, обработанной в барабане, г.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям. Оно важно для материалов, применяемых при устройстве полов зданий, дорожных покрытий и др. Предел прочности материала при ударе характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца (в кг*см), или удельной работой, отнесенной к единице объема (в кг*см/см3) или площади (кг*см/см2).

Теплопроводность — способность материала передавать тепло через толщу от одной свой поверхности к другой (в силу теплового движения молекул). Показателем теплопроводности материала служит коэффициент теплопроводности, (Вт/м*К) равный:

где а — толщина материала, м; F — площадь материала, м2; t1, t2 — постоянные различные температуры (t1 > t2); Q — количество тепла, проходящее через стену за Z часов.

Если принять, что а = 1 м, F = 1 м2, t1-t2 = 1°, Z = 1 час, то Л = Q, т.е. коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящему через образец данного материала толщиной в 1 м, площадью в 1 м2 за 1 час при разности температур на противоположных поверхностях образца в 1°.

Для воздушно-сухих материалов (т.е. имеющих характерную для стен званий естественную влажность 1—7 % по объему) величину коэффициента теплопроводности можно ориентировочно определять по объемной массе, пользуясь эмпирической формулой, предложенной проф. В.П. Некрасовым

Значительно повышает теплопроводность материала его влажность, так как у воды X = 0,51, т.е. в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому поры, заполненные водой, гораздо лучше проводят тепловой поток, чем поры, заполненные воздухом.

Теплоемкость — свойство материала при нагревании поглощать определенное количество тепла. При охлаждении материалы выделяют тепла тем больше, чем выше их теплоемкость.

При нагревании материала массой G от температуры t2 до t1 необходимо затратить количество тепла Q, прямо пропорциональное массе и разности температур (t1-t2):

где с — коэффициент теплоемкости (или удельная теплоемкость):

Если принять G = 1 кг и (t1-t2) = 1°, то получим с = Q, т.е. коэффициент теплоемкости представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°.

Природные каменные материалы имеют коэффициенты теплоемкости в пределах от 0,18 до 0,22. Наибольший коэффициент теплоемкости имеет вода — с = 1 ккал/кг град. (~ 4,18 кДж/(кг*К).

Огнеупорность — свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур.

Материалы делятся по действию высокой температуры на три группы: огнеупорные, выдерживающие действие температур от 1580 °C и выше (динас — кислый огнеупорный материал, содержащий не менее 93 % кремнезема; изготовляют из кварцевых пород на известковой связке — 2—3 %, применяют в кладке промышленных печей, шамот — огнеупорная глина или каолин, обожженные до потери пластичности, удаления химически связанной воды и определенной степени спекания и др.); тугоплавкие, выдерживающие действие температур выше 1350 до 1580 °C (гжельский кирпич); легкоплавкие — с огнеупорностью ниже 1350 °C (обыкновенный глиняный кирпич).

Ряд физико-механических свойств строительных горных пород (твердость, вязкость, упругость и др.) рассмотрены в предыдущем параграфе, Следует отметить, что качество строительных материалов зависит от совокупности свойств, которые определяют их практическую ценность.