1. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. Общие сведения

Природные каменные материалы и изделия получают путем механической обработки горных пород (дроблением, раскалыванием, распиливанием).

По виду и степени обработки различают: грубообработанные материалы (бутовый камень, щебень, гравий, песок) и штучные изделия (стеновые камни, камни и плиты для облицовки зданий и инженерных сооружений, цокольные плиты, плиты для полов и ступеней, изделия для дорожного строительства).

По средней плотности природные камни делят на легкие и тяжелые. Легкие камни плотностью не более 1800 кг/м3 имеют пористое строение (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник и т.п.) и поэтому применяются преимущественно в виде штучного камня и блоков для стен зданий и щебня для легких бетонов. Тяжелые камни плотностью более 1800 кг/м3 (гранит, сиенит, диорит и т.п.) служат облицовкой и используются в виде плит для пола, материалов и изделий для гидротехнического и дорожного строительства.

По пределу прочности при сжатии образцов в воздушно-сухом состоянии природные каменные материалы делят на марки, МПа: 0,4;

0,7; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 80 и 100. Марки

0,4 – 20 свойственны легким камням различной пористости, а тяжелым – от 10 и выше. По морозостойкости природные каменные мате-

риалы разделяют на марки: F10; F15; F35; F50; F100; F150; F200; F300

и F500. Высокую морозостойкость имеют плотные камни с равномер- но-зернистой структурой. По водостойкости природные камни делят на группы с коэффициентом размягчения не ниже 0,6 (для наружных стен зданий); не ниже 0,8 (для гидротехнических сооружений и фундаментов). В зависимости от назначения и условий применения природные каменные материалы оценивают также по твердости, истираемости и износу, огнестойкости, стойкости к химическому воздействию внешней среды. Высоко ценятся эстетические характеристики природного камня.

Бутовый камень – крупные куски камня (не более 50 см по наибольшему измерению) неправильной формы, получаемые взрывным методом (рваный бут), или плиты неправильной формы (постелистый бут или плитняк), получаемые выламыванием из слоистых пород. Из

4

бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень.

Щебень – куски камня неправильной формы размером 5 – 70 мм (для гидротехнического строительства до 150 мм), получаемые дроблением горных пород с последующим рассевом. Щебень в зависимости от наименьшего и наибольшего размера зерен (мм) подразделяют на фракции: 5 – 10 мм, 10 – 20 мм, 20 – 40 мм, 40 – 70 мм.

Гравий – рыхлые окатанные (округлые) зерна размером от 5 до 70 мм, получаемые просеиванием рыхлых осадочных пород.

Технические требования к качеству щебня (гравия) для строительных работ нормируются ГОСТ 8267-93*. Качество щебня (гравия) характеризуют следующие показатели: зерновой состав, форма зерен, прочность, содержание зерен слабых пород, содержание пылевидных и глинистых частиц, морозостойкость, петрографическая характеристика, плотность истинная (без пор), средняя (включая поры), насыпная (включая поры и межзерновые пустоты), пустотность, водопоглощение. По прочности щебень подразделяют на марки 200, 300, 400, 500, 800, 1000, 1200, 1400; гравий – на марки 400, 600, 800,

1000. Щебень и гравий применяются в строительстве как заполнители для бетонов и для устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Песок – минеральные зерна размером от 0,16 до 5 мм, получаемые при просеивании мелких рыхлых пород или дроблением и рассевом отходов камнеобработки. Технические требования к качеству песка для строительных работ нормируются ГОСТ 8736-93*. Качество песка характеризуют следующие показатели: зерновой состав, содержание пылевидных и глинистых частиц, содержание органических примесей, минералого-петрографический состав, плотность истинная и насыпная, пустотность, влажность. Применяется в строительстве в качестве заполнителя для бетонов и строительных растворов.

1.2. Примеры решения задач

1. При строительстве автомобильной дороги длиной 1 км, шириной проезжей части 7,5 м толщина щебеночного основания составляет 20 см. Коэффициент уплотнения щебня 1,2, коэффициент возможных потерь 1,04. Щебень гранитный со средней плотностью 2670 кг/м3 и насыпной плотностью 1550 кг/м3. Сколько потребуется щебня

5

и железнодорожных вагонов для его перевозки? Какова пустотность в щебне, отгружаемом в вагоны?

Решение. Объем щебеночного основания в уплотненном состоянии

Vуп =1000 7,5 0,20 =1500 м3.

Объем щебня в рыхлонасыпанном состоянии

Vрыхл =1500 1,2 =1800 м3.

Расход щебня по объему Що = 1800 ∙ 1.04 = 1872 м3.

Расход щебня по массе Щм = 1872 ∙ 1550 2 901 600 кг = 2902 т.

Необходимое количество 60-тонных железнодорожных вагонов n =2902/ 60 =48,3, т.е. 49 шт.

Пустотность щебня в вагоне

Vпуст = (1 − ρн )100= (1 – 1550 )100 = 42 %,

ρm 2670

где ρн – насыпная плотность материала, кг/м3; ρm – средняя плотность материала, кг/м3.

2. Ширина проезжей части автомобильной дороги составляет 7,5 м, толщина щебеночного основания – 0,20 м. Коэффициент уплотнения щебня 1,2, коэффициент возможных потерь 1,04. Имеется сто 60тонных вагонов щебня, межзерновая пустотность которого 45 %, а средняя плотность зерен 2670 кг/м3. Сколько погонных метров основания можно построить?

Решение. В формулу для определения пустотности

Vпуст = (1 − ρн )100

ρm

подставляем известные значения величин:

45 = (1 − 2670ρн )100, тогда ρн = 1470 кг/м3.

Объем щебня в вагоне

Vщ = 60 000 / 1470 = 40,8 ≈ 41 м3.

Объем поставляемого щебня

Vщ =100 41=4100 м3.

Объем устраиваемого щебеночного основания

6

Vосн =4100/(1,2 1,04) =3285 м3.

Количество погонных метров щебеночного основания

L =3285/(7,5 0,2) =2190 м.

3. Масса образца горной породы в сухом состоянии 210 г. После выдерживания в воде в течение 48 ч масса увеличилась до 225 г. После высушивания и насыщения водой под давлением масса была равна 232 г. Истинная плотность горной породы составляет 2780 кг/м3, а средняя плотность – 2000 кг/м3. Определить пористость, водопоглощение и водонасыщение по массе и объему.

Решение. Водопоглощение по массе

Wм = mвm−mс 100 = 225 −210100 = 7,1 %, c 210

где mв – масса насыщенного водой материала, г; mс – масса сухого ма-

териала, г.

Водопоглощение по объему

Wо =Wм ρm = 7,12000 =14,2 %, ρв 1000

где ρв – плотность воды, кг/м3.

Водонасыщение по массе

Wнм = 232 −210100 =10,5 %. 210

Водонасыщение по объему

Wно =10,510002000 = 21 %.

Пористость породы

П = (1 − ρρm )100 = (1 − 20002780)100 = 28,1 %,

где ρ – истинная плотность материала, кг/м3.

4. Масса образца горной породы в сухом состоянии на воздухе равна 60 г. После парафинирования его поверхности масса в воде составила 37 г. Расход парафина 0,6 г, а его истинная плотность 0,9 г/см3. Вычислить среднюю плотность горной породы.

Решение. Объем парафина на образце

7

Vп = mп = 0,6 / 0,9 = 0,67 см3, ρп

где mп – масса парафина, г; ρп – плотность парафина, г/см3.

Объем парафинированного образца при гидростатическом взвешивании

V = m1 −m2 = 60 −37 = 23 cм3,

ρв 1

где m1– масса образца, взвешенного на воздухе, г; m2 – масса образца,

взвешенного в воде, г.

Объем образца горной породы равен разности объемов парафи-

нированного образца и парафина на образце

Vо = V – Vп = 23 – 0,67 = 22,33 cм3.

Средняя плотность горной породы

ρm = m =60 / 22,33 = 2,69 г/см3.

Vо

5. После рассева пробы песка получены следующие результаты:

Какова группа песка по крупности?

Решение. Определяем полный остаток на каждом сите в процентах по формуле

Ai =a2,5 +a1,25 +...+ai ,

где a2,5,a1,25,..., ai – частные остатки на соответствующих ситах, %.

Для указанных сит (слева направо) полные остатки составили 5, 20, 48, 75, 85 и 100 %.

Модуль крупности песка

Группа песка согласно ГОСТ 8736-93* – средний (табл. П.8.1).

6. Масса гравия фракции 10 – 20 мм до испытания – 3 кг. После испытания на сите 5 мм полный остаток равен 2,60 кг, на сите 2,5 мм

– 2,68 кг; 1,25 мм – 2,75 кг. Найти марку гравия по дробимости в цилиндре.

8

Решение. Дробимость гравия указанной фракции устанавливаем по показателю потери массы в процентах. За потерю массы принимаем суммарную массу частиц мельче 2,5 мм. Тогда

Др = m −m1 100 = 3,00 −2,68100 =10,6 %, m 3,00

где m – масса пробы гравия, кг; m1– масса остатка на контрольном

сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы гравия, кг. Согласно ГОСТ 8267-93* марка гравия по дробимости – «800».

7. В пробе гранитного щебня было 30 % фракции 20 – 40 мм, 60 % фракции 10 – 20 мм и 10 % фракции 5 – 10 мм. При испытании сжатием в цилиндре для первой из этих фракций получен показатель дробимости 18 %, для второй – 26 %, для третьей – 32 %. Определить марку щебня по дробимости.

Решение. Средневзвешенный показатель дробимости

Др = x1a1 + x2a2 +... + xiai , a1 + a2 +... + ai

где х1, х2 ,…, хi – показатели дробимости данной фракции, %; a1, a2 ,…, ai – содержание данной фракции, %.

Др =18 30 +26 60 +32 10 =24,2 %. 30 +60 +10

Щебень из изверженных горных пород по ГОСТ 8267-93 при показателе дробимости от 20 до 25 % относится к марке «800».

8. При испытании на сжатие образца-кубика осадочной горной породы со стороной а = 5 см максимальное давление по манометру гидравлического пресса р = 2 МПа. Диаметр поршня пресса d = 38 см. На преодоление вредных сопротивлений ненагруженного поршня данного пресса затрачивается сила Р1 = 4100 Н, а в процессе нагружения поршня расходуется Р2 = 0,002р. Определить разрушающее усилие Pразр , предел прочности при сжатии образца горной породы и ее

марку.

Решение. Разрушающее усилие

Pразр = p·π·d2 / 4 – P1 – P2 = p∙3,14∙0,382 / 4 – 4100 – 0,22 p =

=0,1133 p – 4100 – 0,22 p = 0,1113 p – 4100 = 0,1113∙2∙106 – 4100 =

=218 500 Н = 218,5 кН.

9