книги из ГПНТБ / Волков, М. И. Методы испытания строительных материалов учеб. пособие

При необходимости можно выдерживать образцы в воде до постоянной массы.

Водонасыщение — способность породы поглощать воду при выдерживании в ней при повышенном давлении или в условиях разреженного воздуха (при іваікууме). В таких условиях откры­ тые поры освобождаются от находящегося в них воздуха, поэто­ му показатель водонасыщения больше показателя водопоглощения.

Приближенно водонасыщение можно определить методом кипячения образцов породы в воде в течение получаса.

1.Подготовленные образцы породы, маркированные, высу­

шенные и взвешенные, поместить в сосуд вакуум-аппарата

(рис. 8), наполнить его дистиллированной водой так, чтобы об­ разцы были полностью покрыты водой.

2. Плотно закрыть крышкой сосуд аппарата, включить ва­ куум-насос, доведя разрежение до 2,7 кПа (20 мм рт. ст.) и под­ держивать его в течение 3 ч. Прекращение выделения пузырь­ ков воздуха с поверхности образцов служит признаком того, что процесс насыщения образца водой закончился.

3.Открыть крышку и вынуть поочередно каждый образец из аппарата, вытереть его влажной тряпочкой и взвесить.

4.Вычислить водонасыщение аналогично водопоглощению. Водопоглощение и водонасыщение зависят от количества и

диаметра открытых пор и микротрещин, смачиваемости и ад­ сорбционной способности поверхности (внутренней и внешней)

образцов породы и ее состояния, а также от состава и темпера­ туры-воды.

Эти свойства горных пород предопределяют изменение сос­ тояния каменного материала в инженерной конструкции, явля­ ются^ прогнозирующим показателем морозостойкости и 'погодо­ устойчивости; эти показатели учитываются также при производ­ стве цементобетонных и асфальтобетонных смесей и др.

го

Водологлощение горных пород «очень большое», если оно пре­ вышает 8%; «большое» — 3—8; «среднее»— 1,5—3; «малое»— 0,5—1,5; «весьма малое»— менее 0,5 %•

Приближенные показатели водопоглощения и водонасыщения некоторых пород приведены в табл. 9.

Морозостойкость — способность породы в увлажненном со­ стоянии выдерживать многократное замораживание и оттаива­ ние без заметных разрушений (табл. 10) и снижения прочности.

Циклическое замораживание и оттаивание. Вода, находящая­ ся в порах и микротрещинах, замерзая и увеличиваясь в объеме примерно на 10%, оказывает при этом огромное давление на стенки пор и при многократном замерзании и оттаивании раз­ рушает породу1. Метод испытания на морозостойкость разра­ ботан и предложен в 1884 г. проф. Н. А. Белелюбским.

Чем больше заполнены поры водой, тем эффективнее дейст­ вие замерзающей воды. Если поры заполнены водой менее чем на 0,9 их объема, лед практически не оказывает давления на стенки пор. Быстрое снижение температуры оказывает более ин­ тенсивное разрушающее действие. При медленном замерзании лед из крупных пор будет выжиматься на поверхность, не ока­ зывая воздействия на стенки пор.

Горные породы с показателем водонасыщения менее 1% обычно не испытывают на морозостойкость, за исключением ма­ териалов для ответственных сооружений, работающих в суровых климатических условиях. Порядок проведения испытания сле­ дующий.

1. Подготовить 3—5 образцов правильной геометрической формы (куб или цилиндр) или кубовидные образцы неправиль­ ной формы с минимальным размером ребра 6 см. Очистить от пыли, промаркировать, а затем поместить в кюветку, залить водой и выдержать 48 ч.

2. Увлажненные образцы уложить в камеру холодильной ус­ тановки и выдержать при температуре от —17 до —20^С в тече­

1 Температура замерзания воды в капиллярах диаметрам 1,57 мм — 6,4, при 0,24 мм— 13,3, при 0,;1б мм— 14,6, при 0,06 мм— 18,‘4°*С.

21

точностью до 0,1 %.

Если потеря массы (табл. 10) не превышает допускаемой стандартом величины при данном числе циклов, то испытание следует продолжить в течение следующих 25 циклов. Если по­ теря массы превысила допускаемый предел, испытание надо прекратить и за показатель морозостойкости принять преды­ дущее число циклов замораживания и оттаивания, при котором потеря массы не превышает допустимой.

При использовании каменных материалов в условиях суро­ вого климата (температура в зимний период достигает—60° С) образцы материалов следует дополнительно испытать при темпе­ ратуре замораживания —60° С.

Если необходимо получить представление о потере проч­ ности после испытания на морозостойкость при заданных цик­ лах испытания, определяют коэффициент морозостойкости — от­ ношение предела прочности при сжатии (или расколе для об­ разцов неправильной геометрической формы) после и до иапы-

22

тания на морозостойкость. Морозостойкость принято обозна­ чать «Мрз», .например Мрз = 100 означает, что образец породы выдержал испытание на морозостойкость при 100 циклах замо­ раживания и оттаивания.

последующим высушиванием. Раствор сернокислого натрия про­ никает в поры и микротрещины и при высушивании образца кристаллизуется. По мере роста кристаллы оказывают давление на стенки пор и разрушают породу. Испытание следует прово­ дить в таком порядке.

1.Подготовить образцы в виде кусков породы кубовидной формы с наименьшим размером 6 см. Промаркировать их и взвесить с точностью до 0,01 г.

2.Подготовить раствор сернокислого натрия в 10 л воды. Кристаллический сернокислый натрий Na2SO4-10H2O (700— 1000 г) или безводный Na2SC>4 (250—300 г) растворить в подо­

гретой дистиллированной воде путем постепенного добавления при тщательном перемешивании до насыщенного раствора. Подготовленный раствор выдержать при комнатной темпера­ туре в течение двух суток.

3. Заполнить стеклянную или фарфоровую кюветку на поло­ вину высоты раствором сернокислого натрия, в который погру­ зить испытуемые образцы, и выдержать в растворе около 2D ч при комнатной температуре.

4. Затем поочередно вынуть образцы из раствора, тщательно осмотреть (нет ли повреждений породы или микротрещин) и по­ местить на чистом листе бумаги в сушильный шкаф при темпе­ ратуре 100—105° С на 4 ч.

стандартом число раз. После 3, 5, 10 и 15 циклов попеременного выдерживания в растворе и высушивания в сушильном шкафу образцы промыть горячей водой для удаления сернистого нат­ рия, высушить до постоянной массы и определить потерю массы по формуле

М = gl — ga 100, gi

где М — потеря массы в %; g і — масса образца до исыптания в г; g2— масса образца после испытания в г.

6. Результаты наблюдений и расчетов записать по следующей форме:

23

Морозостойкость материала оценивают, как и при непосред­ ственном замораживании, по табл. 10.

Механические свойства

В зависимости от условий работы в инженерных конструк­ циях каменные материалы могут воспринимать воздействие статических и динамических нагрузок.

Для характеристики механических свойств горных пород определяют прочность на сжатие, удар, растяжение, раскалы­ вание, истираемость и др. Механические свойства определяют на образцах, изготовленных из испытуемой горной породы, ку­ бовидной и чаще цилиндрической формы (куб с ребром 5 см и цилиндр диаметром и высотой 5 см). Для грубозернистых круп*, нопористых пород указанные размеры образцов увеличивают до 7 см. Необходимо иметь в виду, что показатель прочности в из­ вестной мере зависит от размера и формы образца. Эта зави­

Образцы цилиндрической формы высверливают на лабо­ раторных сверлильных станках, оснащенных специальным дер­ жателем для куска породы, желательно параллелепипедалыюй

24

формы. Коронка имеет режущую кромку из специальных твер­ дых сплавов или с зачеканенными техническими алмазами. Внутренний диаметр коронки должен быть 5,2 см, что позволя­ ет высверлить цилиндр диаметром 50 мм. Длина высверленного цилиндра должна быть такой, чтобы после опиливания двух

Рис. 9. Сверлильный станок

противоположных торцов и их пришлифовки образец имел высо­ ту 50 мм (рис. 9).

Для изготовления образцов кубической формы из куска гор­ ной породы выпиливают брусок длиной 160—260 мм, из которо­ го нарезают стандартные кубики. При распиловке (рис. 10) под

ческими алмазами. Породу распиливают, постоянно увлажняя ее в месте распила.

Пришлифовку.двух противоположных поверхностей цилинд­ ра или куба выполняют на карборундовых шлифовальных стан­ ках. Правильность формы и размеров проверяют штангенцир­ кулем и металлическим угольником.

При разведке месторождений горных пород из буровых скважин отбирают пробы в виде цилиндрических столбиков (кернов) разного диаметра (6, 8, 10 см). В таких случаях образ­ цы изготовляют, распиливая керны на цилиндры высотой 6, 8, 10 см, а затем пришлифовывают торцы. При определении проч­ ности на сжатие необходимо указывать не только диаметр ци­ линдра, но и однородность текстуры по высоте образца.

Прочность на сжатие следует определять в таком порядке.

1. Подготовленные образцы в количестве 3—5 шт. промар­ кировать, высушить и установить поочередно на нижнюю плиту

25

гидравлического пресса точно по середине плиты, пользуясь при этом квадратньши разметками на поверхности плиты. Пли­ та должна быть предварительно тщательно очищена (рис. 11).

2.Прижать образец верхней плитой, опустить металлическую сетку (защитная от возможного отскока частиц породы при ее разрушении).

3.Установить измеритель давления на нулевое деление и включить электромотор насоса. Подачу масла надо вести с рас­

четом, чтобы давление повышалось в пределах 1,2—1,5 МПа

в1с.

4.Записать показатель манометра при появлении первой тре­

щины, а затем усилие, при котором образец разрушился1.

5. Определить временное сопротивление сжатию по формуле

__Р Ясж = „ >

F

где Р — напряжение в момент разрушения образца а Я; F —площадь образца в см2.

Если необходимо определить прочность на сжатие увлаж­ ненных образцов, а также образцов после многократного за­ мораживания, количество проб необходимо соответственно уве­ личить.

Т а б л и ц а 12

Предел прочности при сжатии в МПа

1 Если площадь поршня гидравлического пресса Fn см2, показания мано­ метра при испытании образцов на сжатие А кгс/см2, а площадь испытываемо­ го образца Ер см2, то усилие, разрушившее образец при сжатии P = F n На­ пряжение в образце при его разрушении, т. е. предел прочности’ при сжатии,

Р F А

определяется по формуле /?сж = — --- —-— .

Рп Рр

26

Отношение показателей прочности влажного и сухого образ­ цов называют коэффициентом размягчения.

Плотные горные породы имеют примерно одинаковую проч­ ность в сухом и увлажненном состоянии, а прочность пористых, затронутых выветриванием пород после увлажнения снижается (табл. 12).

Результаты определения записывают по следующей форме:*1

* 1 кгс(см2 — 0,1 МП а.

Породы слоистого и сланцевого сложения (гнейсы, некоторые песчаники и др.) испытывают на сжатие перпендикулярно и вдоль сланцеватости (слоистости), указывая при этом направ­ ление приложенного усилия (_І_ или||). Общий показатель проч­ ности часто вычисляют как среднее арифметическое из двух определений.

Метод определения прочности на сжатие дает условный по­ казатель, так как результат зависит от формы, размеров образ­ ца, характера поверхности и скорости приложения нагрузки.

Прочность горных пород на раскол определяют на образцах неправиль­ ной формы раскалыванием между двумя взаимонаправленными конусами (параметры конусов: радиус закругления вершин 2 мм, угол заострения 60°). Испытание рекомендуется вести в следующем порядке (рис. 23).

ких ,и шесть образцов ,в .насыщенном водой состоянии).

'2. Установить образец горной породы между двумя взаимонаправленными конусами, предварительно поджимая траверсу пресса до соприкосновения верхнего конуса с образцом; затем включить мотор для подачи масла в ци­ линдр пресса со скоростью нагружения 0,2—0,3 МПа в 1 сек до разрушения образца.

27

'3. Записать предельное разрушающее усилие в Я и вычислить площадь раскола на одной из половинок образца (нанеся на бумагу контур площади раскола, определить площадь с помощью планиметра).

ствием ударной нагрузки без заметных пластических деформаций зависит от минералогического состава, структуры, текстуры и влажности. К наиболее хрупким породам относятся кварциты, окаменелые породы, свежевулканиче­ ские породы со значительным содержанием фазы вулканического стекла (не­ которые липариты, андезиты и др.).

По показателю прочности при ударе породы делят на такие группы: очень хрупкие — П < 2 ; хрупкие — П = 2-н5; вязкие — П=5-Н10; очень вязкие — П>.И).

28

Испытание на удар заключается в том, что на установленный образец по­ роды (цилиндр, куб) наносят удары гирей заданной массы (через специальный блок или непосредственно на испытываемый материал) с все увеличиваю­ щейся высоты (в см) или гирями разной массы до разрушения образца. Пре­ дел прочности при ударе характеризуется количеством работы, необходимой для разрушения образца (в Н-см), или удельной работой, отнесенной к еди­ нице объема испытываемого -образца (в Н-см/см2).

Породу испытывают обычно на копре Педжа (рис. 13), который состоит из металлической станины, переходящей книзу в стальную наковальню. По закрепленным к станине двум направляющим колонкам движется рамка, к которой подвешена гиря массой 2 кг. Удары гири по образцу наносят через прижимной подбабок — цилиндр, конец сферической формы которого имеет радиус 1 см.

Для испытания подготовляют цилиндрические образцы диаметром 2 и вы­ сотой 2,5 см. Испытания необходимо вести в такой последовательности.

1. Установить образец на наковальню копра и прижать его подбабком точно по центру.

2. Нанести удар гирей, падающей с высоты 1 см, затем — 2 см и так да­ лее, увеличивая высоту падения гири всякий раз на 1 см (прибор снабжен мерной стальной линейкой с сантиметровыми делениями).

3.Записать .порядковый удар гири, разрушившей образец.

4.Если цилиндрический образец имеет другие размеры, полученный ре­ зультат пересчитать по формуле

колу) к удельной работе, затраченной на раскалывание образца.

По степени хрупкости при статическом раскалывании горные породы ус­

Для определения величины деформации при раскалывании AI на гид­ равлическом прессе (рис. 14) монтируют приспособление для раскола образ­ цов и записывающее устройство (рис. 14). Испытание ведут в такой после-, довательности.

1. Изготовить три образца (5X6X40 см) таким же образом, как и для определения прочности на раскол, и высушить их.

2. Записать деформацию образца при расколе в следующем порядке. Включить в сеть сельсинную пару, поместить образец между конусами и тра­ версой пресса, верхний конус привести в соприкосновение с образцом. С по­ мощью фиксирующей призмы поставить рычаг в горизонтальное положение. После проведенной настройки выключить подачу масла в цилиндр пресса и следить за характером записи деформации вплоть до раскола образца. После разрушения образца по одной из половинок его определить площадь раскола. Записанную диаграмму деформации проанализировать для выяснения хаірак-

29