1.2 Визначення об'ємної та питомої маси гірських порід

Об'ємна маса породи визначається за формулою

r = М / V_зр , (1.7)

де М – маса зразка породи, кг.

Питома маса (мінеральна густина) породи визначається за формулою

r_ск = М / V_ск. (1.8)

Контрольні запитання

1. В чому різниця між загальною та відкритою пористістю порід ?

2. Від чого залежить пористість порід?

3. Пористість яких порід більша – осадових, магматичних чи метаморфічних ?

4. Як змінюється пористість із глибиною залягання порід ?

5. Які властивості порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2?

6. З яких основних вузлів складається прилад СПВ-2?

7. Як побудувати калібрувальну криву?

8. Зразки якого мінімального об’єму рекомендується використовувати для вимірювання пористості? Чому?

9. Як визначити загальний об’єм зразка неправильної геометричної форми?

10. В чому різниця між об'ємною та питомою масою гірських порід ?

11. Як визначити загальну пористість порід на приладі СПВ-2?

Література: [3], стор. 45–47

Лабораторна робота №2 визначення механічних властивостей гірських порід при простих видах деформації

Мета роботи. Вивчення методики визначення міцності на стиск, розтяг, зсув, згин і встановлення співвідношення між цими характеристиками для одного і того ж матеріалу.

Міцність – це здатність твердого тіла чинити опір руйнуванню.

Міцнісні характеристики гірських порід значно різняться залежно від виду навантаження. Найбільшу міцність гірські породи мають на стиск, найменшу – на розтяг. Це пояснюється тим, що при стиску "працює" весь об'єм зразка, а при розтягу – взаємозв’язки між мінеральними частинами, з яких складається порода, в найбільш послаблених місцях. Міцність на зсув є другою після міцності на стиск, а міцність на поперечний згин близька до міцності на розтяг і навіть може дорівнювати їй, бо при поперечному згині в зовнішніх шарах зразка виникають напруження розтягу, а у внутрішніх – напруження стиску. Визначальними при руйнуванні є напруження розтягу, і руйнування починається, коли останні досягають критичної величини. При зсуві значну роль відіграють сили внутрішнього тертя, які чинять опір руйнуванню.

Суть лабораторної роботи полягає в тому, що зразки одного і того ж матеріалу випробовують на стиск, розтяг, зсув і згин, а одержані значення міцності порівнюють.

Для визначення міцності на стиск і розтяг потрібні циліндричні зразки діаметром 40–45 мм. Відношення довжини зразка l до його діаметра d_зр :

,

Для випробування на згин і зріз використовують зразки призматичної форми з такими геометричними розмірами bxhxL = 2x2x6 см.

Міцність на стиск s_ст визначається при одноосьовому розтискуванні циліндричного зразка за поздовжньою віссю (рис.2.1, а).

, (2.1)

де P – руйнівне навантаження, Н;

F – площа поперечного перерізу зразка, м²;

У

1 – зразок; 2 – плита преса

а) при визначенні міцності на стиск s_ст ;

б) при визначенні міцності на розтяг s_р.

Рисунок 2.1 – Схема навантаження зразка

матеріалознавстві найбільш розповсюдженим методом визначення міцності на розтяг s_р є метод розриву зразків. Однак, виготовити зразки з гірської породи для випробовування таким методом складно.

Для випробовування гірських порід на розтяг застосовують метод розколювання стискуючим зосередженим навантаженням (“бразильський” метод).

Суть його полягає в тому, що навантаження на зразок передається через клини, розташовані на одній осі. В цьому випадку, як відомо з теорії пружності і підтверджено поляризаційно-оптичним методом, зразок руйнується від напружень розтягу, які виникають на поверхні, по котрій відбувається руйнування. Достатнє наближення до цієї схеми дає навантаження циліндричного зразка по його твірних (рис.2.1, б). При цьому руйнування відбувається по діаметральній площині. Тоді міцність на розтяг s_р визначається як

(2.2)

де d – діаметр циліндричного зразка, м;

h – висота циліндра, м.

Оскільки навантаження не є зосередженим і передається не по лінії, а по деякій прямокутній площині, значення міцності на розтяг, одержані таким чином, будуть трохи завищеними порівняно з істинними значеннями, одержаними шляхом безпосереднього розриву зразків.

Міцність гірських порід на зсув звичайно визначають при випробовуваннях на зріз (рис.2.2). При такому навантаженні відбувається зрізання зразка по деякій поверхні. Міцність на зсув визначається як відношення руйнівного зусилля P до площі цієї поверхні F:

s_зс = P/F. (2.3)

Для зразка прямокутного перерізу

F = 2bh, (2.4)

де b – ширина перерізу, м;

h

Рисунок 2.2 – Схема навантаження зразка при визначенні напруження зсуву s_зс

– висота перерізу, м.

При випробовуванні на поперечний згин зразок призматичної форми встановлюють на дві опори і навантажують посередині зосередженим зусиллям (рис.2.3). Міцність на поперечний згин визначається як відношення максимального згинаючого моменту М до моменту опору перерізу зразка згину W.

s_зг = М/W, (2.5)

М = PL/4, (2.6)

W = bh²/6, (2.7)

де b – ширина перерізу, м;

h

Рисунок 2.3 – Схема навантаження зразка при визначенні напруження згину _зг

– висота перерізу, м.

При виконанні роботи використовується гідравлічний прес (рис.2.4).

1 – корпус; 2 – плунжер преса; 3 – столик плунжера; 4, 12 – крани; 5 – манометр; 6 – вісь; 7 – ручка; 8 – плунжер насоса; 9 – малий циліндр; 10 – всмоктувальний клапан; 11 – бачок для масла; 13 – великий циліндр; 14 – плита.

Рисунок 2.4 – Схема гідравлічного преса

Дія преса базується на тому, що в порожнину великого циліндра 13 нагнітається масло, яке спричиняє переміщення плунжера 2. Зусилля P, яке створює плунжер, визначається добутком тиску p в циліндрі на площу поперечного перерізу плунжера

, (2.8)

де d_пл – діаметр плунжера, м.

Для визначення міцності на згин можна використовувати та­кож прилад МИИ-100, який дає змогу одразу визначити s_зг для зразка призматичної форми з таким співвідношенням розмірів bxhxL = 4x4x10см. При визначенні s_зг на приладі МИИ-100 для зразка з іншими розмірами, потрібно визначити поправочний коефіцієнт, значення якого знаходиться з формул (2.5 ) – (2.7).