STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

Возрастает опасность потери поверхностной активности порошкообразного материала в период длительного его хранения, что снижает прочность сцепления частиц с вяжущими веществами. Потребуется ввести в помольную установку ПАВ, чтобы экранировать с их помощью возникающую новую поверхность с повышенной энергетической активностью и, возможно, с иным электрозарядом.

Повышение энергетической активности минеральных природных веществ происходит не только в результате принудительного диспергирования при механическом измельчении минералов и горных пород. Исследования, проведенные на побочных продуктах Курской магнитной аномалии, получаемых при разработке полезных ископаемых с больших глубин карьеров (глубже 500 м), показали их повышенную энергетическую и химическую активность. В природных условиях она возникает за счет коррозии пород, особенно кварцесодержащих, образования метаморфизированных структур под влиянием высоких давлений и температур, возникновения дефектов и существенного снижения структурной упорядоченности кристаллов с полным или частичным разрушением кристаллических решеток породообразующих минералов. Отмечен также синтез новых химических соединений в твердой фазе с участием тонкодисперсного кварца с корродированной поверхностью в толще коры выветривания.

201

8.5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СВОЙСТВ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Все минералы и горные породы обладают определенными зависимостями их свойств от состава и структуры. Но эти частные зависимости исходят из некоторых обобщенных, когда одна из них оказывается общей для многочисленных разновидностей природного камня. Подобная общая зависимость становится закономерностью и может иметь большое практическое значение при выборе камня для строительных целей.

Выше отмечалось, что по составу породы могут быть моно- и полиминеральными. Качественные характеристики первых определяются свойствами их породообразующего минерала, формой и размером его частиц, дефектами структуры, типом химической связи между частицами, макро- и микропористостью и т. п. Кварцитам, например, передаются свойства их породообразующего компонента кварца: высокие твердость, плотность и механическая прочность; малые деформативность (хрупкость), раковистость излома, высокая стойкость к химическому выветриванию и др. На физико-механических свойствах известняков отражаются характерные особенности породообразующего кальцита: сравнительно легкая растворимость в воде, низкая твердость и совершенная спайность, с которыми связана пониженная прочность этих пород. Такое влияние свойств кальцита отражается также на свойствах мраморов, являющихся метаморфизованными разновидностями известняков. И хотя высокие температура и давление несколько уменьшают влияние кальцита как породообразующего компонента, его физико- химические свойства и кристаллохимические особенности играют определяющую роль в процессе формирования структуры и свойств мраморов. Но особенно отчетливо прослеживается негативное влияние совершенной спайности кальцита на прочность крупнокристаллических разновидностей карбонатных пород химического генезиса. Снижение их прочности при механическом воздействии объясняется прежде всего разрушением частиц кальцита по плоскостям спайности, а также по границам их контакта друг с другом.

В отношении известняков, осадочных мономинеральных пород, отчетливо прослеживается следующая закономерность: у малопористых их разновидностей значения показателей прочности, плотности, упругости и некоторых других свойств приближаются к величинам показателей тех же свойств их породообразующего минерала кальцита. Эта же закономерность справедлива для кварцитов и мраморов — пород метаморфического генезиса, несмотря на то, что в условиях метаморфизации могут нарушаться структура и свойства не только исходной породы, но и ее породообразующего минерала (принцип Ле- Шателье), даже при неизменном химическом составе, т. е. в случае изохимической перекристаллизации.

С увеличением пористости, а также с появлением неплотностей в контактах и некоторых других структурных дефектов, неизбежно возникающих при формировании мономинеральных пород, их упругие и прочностные свойства интенсивно снижаются.

Аналогичные явления происходят в полиминеральных породах, когда превалирующий количественно породообразующий минерал оказывает наиболее заметное влияние на формирование определенных свойств породы. У магматических пород, например гранитов, с увеличением содержания кварца, имеющего очень высокий предел прочности при сжатии (около 2000 МПа), повышается механическая прочность. Наоборот, увеличение количества полевых шпатов и слюды в этих породах снижает их прочность, обычно составляющую до 200 МПа для мелкозернистых и до 120—140 МПа для круп- нозернистых их разновидностей. Это происходит вследствие того, что полевой шпат не отличается высоким пределом прочности при сжатии, аналогично кварцу (всего около 170 МПа), а слюда с присущей ей высокой спайностью и способностью образовывать плоскости скольжения способствует механическому разрушению гранита с появлением внутренних скалывающих напряжений. При небольшом количестве слюды или полной ее замене роговой обманкой гранит приобретает повышенные вязкость и прочность (в том

202

числе и на ударную нагрузку). С повышением пористости у выветрелых и одресвелых гранитов их прочность быстро снижается, достигая 80—60 МПа и ниже. Аналогичное влияние увеличения пористости обнаруживается на показателях модуля упругости: при возрастании пористости в 5 раз, т. е. с 0,6 до 3,0%, значение этого показателя у крупнозернистого гранита понижается с 6,0·104 до 1,6·104 МПа и вместе с тем в связи с необратимым расшатыванием его структуры одновременно отмечается повышение остаточной деформации.

Многие осадочные породы также являются полиминеральными агрегатами, часто состоящими из неодинаковых по размеру обломков минералов и горных пород. Свойства этих сложных пород (брекчий, конгломератов и др.) обусловливаются как свойствами самих обломков, так и особенно свойствами природного вяжущего вещества, вы- полняющего роль матричного компонента моно- или полиминерального состава. Природные цементы могут быть аморфными или кристаллическими. Наиболее прочные

— кварцевый, кремнистый и опаловый мономинеральные равномерно-зернистые цементы. Значительно уступают им по прочности разнозернистые полимиктовые цементы, состоящие из минеральных зерен различного химического состава с неодинаковыми размерами частиц. Наименьшей цементирующей способностью отличаются глинистые и растворимые соединения (глины, гипсы и др.). Эту группу пород можно по аналогии сравнивать с искусственными строительными конгломератами (например, с бетонами), формирование структуры которых происходит под влиянием вя- жущих веществ в заводских условиях.

Выше отмечалось, что на прочность и другие качественные показатели горных пород существенное влияние оказывает пористость. В породах она может быть очень грубой (туфы), крупной (ракушечники), мелкой и тончайшей, незаметной даже под микроскопом (диатомиты). В породах различают первичную пористость, обычно закрытую, и тонкодисперсную, зависящую от характера упаковки, формы и размера частиц, их взаимного расположения, величины того первоначального давления, которое испытывали породы в процессе формирования структуры. Пористость может быть также вторичной и чаще всего открытой, возникшей на более поздних стадиях отвердевания породы или осадка, при растворении или замещении в них отдельных минералов, особенно в результате последующего выветривания. Вторичные поры всегда имеют более устойчивые и сохранившиеся размеры, так как, возникая в уже затвердевшей массе, они в меньшей степени подвержены последующему спрессовыванию или заполнению новыми минеральными веществами.

Являясь важным структурным элементом, поры вместе с минеральными частицами непосредственно и активно участвуют в формировании свойств горных пород. Б.П. Беликовым и другими были выполнены исследования упругих характеристик многих горных пород общим импульсным ультразвуковым методом. Изучались как изотропные моно- и полиминеральные, так и анизотропные породы с определением модуля Юнга Е, модуля сдвига С, модуля объемного сжатия К, скорости распространения продольной волны \р и некоторых других параметров упругих свойств. Установлено, что при весьма малой пористости, например меньшей 1%, упругие свойства минералов и пород определяются в основном их минеральным составом. С увеличением же пористости значения упругих и прочностных свойств снижаются в соответствии с эмпирическим уравнением

lg M = Am1 − Bm2 , (8.1) M o

где через М и Мo обозначены любые из упругих свойств (параметров) камня с порами (М) и без пор или с их минимумом (Мo), а через т1 и т2 — величины вторичной и первичной пористости.

203

Общий характер влияния пористости на механические свойства пород и минералов можно выразить наглядно в виде графической зависимости в системе координат «свойства =f(пористость)». График имеет вид сложной экстремальной кривой, состоящей из вершины и двух ниспадающих от нее ветвей (рис. 8.7). Вершина кривой соответствует наибольшим значениям параметров упругости, прочности, плотности минералов и пород, когда их пористость предельно мала (меньше 1%). На ветви, расположенной слева от вершины экстремальной кривой, располагаются показатели свойств, которые снижаются по мере возрастания первичной пористости пород. Это снижение характеризуется сравнительно умеренной интенсивностью, вызываемой наличием закрытых мелких и тончайших по своим размерам пор, особенно у минералов. На абсолютные значения свойств кроме пористости влияют также характер внутренних связей между микро- и мак- рочастицами минерального вещества, свойства минералов и другие факторы, которые обусловливают, кроме того, сравнительно большой разброс опытных данных, особенно при испытании интрузивных и метаморфических пород.

Рис. 8.7. Схема действия закона створа в горных породах и минералах

Справа от вершины экстремальной кривой размещается ветвь интенсивного спада упругих и прочностных свойств при увеличении вторичной (открытой) пористости с характерными для нее более крупными порами. Разброс опытных данных здесь меньше, чем в области левой ветви, и совсем незначителен на отрезке кривой, близкой к вершине. Аналогичное совпадение показателей свойств при изменении вторичной пористости отмечается и при испытании образцов из эффузивных и осадочных пород.

В мономинеральных породах на максимум величин показателей свойств влияет, как отмечалось, уровень соответствующих значений породообразующего минерала; в полиминеральных — некоторый усредненный их уровень, обусловленный минеральным составом, количественным соотношением и характером связей минералов. А в обоих случаях на величины экстремумов свойств влияют наличие пор и микропор, степень дефектности структуры и др. К экстремумам показателей свойств горные породы и минералы приближаются в результате очень длительных процессов структурообразования с постепенным набором в природных условиях таких параметров, при которых возникает своеобразная оптимальная структура. Закономерное протекание этих процессов в природе может прерываться стихийными, в том числе тектоническими, осложняемыми вулканической деятельностью явлениями, которые могут резко изменять и даже прерывать процесс формирования структур и свойств пород как на ограниченных, так и на огромных участках земной коры. Нарушение закономерного процесса структурообразования возможно также под влиянием изменения климатических, географических условий и других факторов. В одном и том же месторождении могут встречаться представители пород, разнородные по структуре и свойствам, причем только некоторые участки пород в данном месторождении могут оказаться с оптимальной

204

структурой и комплексом экстремальных значений свойств в вершине кривой. Породы других участков того же месторождения, испытавшие влияние неблагоприятных факторов, отмеченных выше, не приобретают оптимальной структуры и не отличаются высокими показателями свойств (например, прочностных). Несмотря на то, что естественный процесс оптимизации структуры может неоднократно прерываться, он постоянно и последовательно продолжается во времени, поскольку связан в конечном итоге с приближением ее к равновесному состоянию и нарастанию термодинамической устойчивости горных пород.

Зависимость свойств природного камня от состава и оптимальной структуры отражает объективно существующую закономерность, которую при обобщении многочисленных опытных данных можно выразить следующим образом: при определенном наборе структурных параметров формируется оптимальная структура природного камня, при которой имеется комплекс экстремумов механических и некоторых физических свойств, непосредственно связанных со структурой и отражающих ее характер. Действует и обратная связь: комплекс экстремумов свойств горной породы или минерала отражает наличие оптимальной структуры с характерными для нее относительной однородностью, минимальной пористостью, минимумом других микро- и макроструктурных дефектов, с наиболее устойчивым равновесным состоянием внутренних связей, с минимумом внутренней свободной энергии, с мелкозернистой плотной кристалличностью или непрерывной пространственной сеткой (прослойкой) цементирующего вещества, с оптимальным содержанием стеклофазы и наличием других структурных параметров в со- ответствующем их наборе. Эти закономерности проявляются как в отношении твердых, так и упруговязкопластичных природных образований, к которым относятся глины, суглинки, лессы, мел, гипсы, асфальтовые породы и др. Они служат основой тождественного закона створа, вскрытого в теории ИСК.

Наблюдается также другая закономерная связь между свойствами главного породообразующего минерала и свойствами породы со спадом показателей свойств по мере накопления дефектов структуры, которая является также обобщающей основой закона конгруэнции в теории ИСК (см. 3.2). Такая тождественность закономерного изменения свойств под влиянием структурных параметров у природного камня и ИСК возникает при сходных процессах, которые характерны как для природного генетического, так и заводского технологического периодов. В обоих этих случаях, при формировании структур и свойств, прослеживается воздействие законов кристаллизации из растворов и расплавов, закона эвтектики, правила фаз и др. Различие состоит только в том, что в короткие технологические периоды производства ИСК можно направленно регулировать процессы структурообразования; избегая влияния элементов случайности и аномальных отклонений, которые возможны при формировании структур и свойств пород в природных условиях. Именно поэтому более отчетливо выразились закономерности створа, конгруэнции и др., известные в теории ИСК, базирующиеся на логически обобщенном и обширном практическом материале. В природе эти объективные закономерности проявляются наиболее полно и объективно, хотя вскрыть их сложнее, чем у ИСК.

205

8.6. ДОБЫЧА И ОБРАБОТКА ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Добыча природного камня осуществляется в коренных (граниты, песчаники, известняки и др.) или рыхлых (гравий, пески, глины) месторождениях, называемых карьерами. В зависимости от условий залегания, качества и запасов горных пород, географического положения различают: промышленные карьеры с большими запасами качественного природного сырья с годовой производительностью более 100 000 м3 и сроком действия более 10 лет, не связанные со строительными объектами и хорошо оснащенные оборудованием и подъездными путями; притрассовые местного значения карьеры, расположенные в районе строительства объектов со сроком действия менее 10 лет и имеющие более высокую себестоимость продукции по сравнению с промышленными карьерами.

Разработка пород может производиться открытым способом, в карьерах, реже подземным (например, разработка органогенных известняков в штольнях) или подводным, при неглубоком залегании пород от поверхности воды в реке, озере. Для открытой разработки наиболее удобны горизонтально или полого залегающие пласты пород, которые могут находиться выше или ниже дневной поверхности или быть на одном уровне с нею. Экономичной считается разработка выходов пород (обнажении) на склонах с небольшим объемом вскрышных работ, сравнительно легким перемещением добытой породы вниз по склону и отсутствием необходимости отвода атмосферных и грунтовых вод от фронта работ. При разработке пород учитывают также их прочность и трещиноватость, на основании которых определяют способ отделения породы от массива. Например, механи- ческим способом (экскаваторами) разрабатывают осадочные породы, разбитые трещинами на небольшие отдельности; отделение глыб слоистых, трещиноватых, столбчатых пород производится также клиньями, механическими лопатами; слабые мягкие породы (ракушечники, известковые туфы) добывают путем распиловки их толщ камнерезными машинами на блоки определенных размеров и формы. Массивные магматические породы разрабатываются с применением взрывчатых веществ с предварительным пробуриванием скважин (шпуров, бурок) по рядам с последующим заложением в них взрывчатых веществ и тщательной заделкой каждой скважины. Буровзрывным способом можно получать монолиты больших размеров, а также рваный камень (бут) и щебень в массовом количестве.

Используются способы распиливания твердых пород (гранитов, мраморов и др.) с помощью механических дисковых пил, армированных пластинками твердых сплавов или абразивными порошками. Вместо дисковых пил применяют буровые машины с цепными пилами, снабженными алмазными или победитовыми1 режущими насадками, а для отделения блоков пород от массива применяют машины с канатными пилами, в которых в качестве абразива используют кварцевый песок с водой. Вода при этом способствует образованию в массиве микротрещин по принципу «клина». В последние годы находит применение термогазоструйный аппарат для разработки массивов кварцсодержащих пород типа гранитов в виде блоков и других штучных изделий. Работа аппарата основана на термическом воздействии горячей струи (свыше 2500°С) на породу, которая получается при сгорании керосина в кислороде и выбрасывается из сопла камеры. При такой высокой температуре возникают огромные внутренние напряжения, вызывающие резкие структурные деформации, сопровождаемые механическим раздроблением породы. Природный камень, доставленный из карьеров, подвергается дальнейшей обработке, распиливанию и отделке для получения различных видов поверхности: грубой или сравнительно гладкой, в частности с применением шлифования и полирования. Для обработки используют пневматические инструменты и станки, с помощью которых

1 Победит — металлокерамический твердый сплав с содержанием до 90% Вольфрама (W) и до 10% кобальта

(Co).

206

получают необходимую фактуру (вид поверхности): бугристую, рифленую, бороздчатую и др. (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Виды фактуры камня:

1 — скала; 2 — рифленая; 3 — бороздчатая; 4 — бугристая; 5 — точечная; 6 — грубошлифованная

Для получения щебня, каменной крошки, дробленого песка и минерального порошка породы после их добычи из месторождений подвергают дроблению и измельчению в камнедробилках, камнекрошилках с последующими операциями по фракционированию, обогащению, промыванию и пр. Для получения крупно-, средне- и мелкозернистых минеральных материалов используют отходы, получаемые в карьерах или на камнедробильных заводах и установках. Особенно ценными отходами являются побочные продукты при распиловке и разделке природного декоративного камня (мраморов, гранита, кварцита и др.); добавляя цементы, из них вырабатывают крупные блоки, декоративные плиты и пр.

207

8.7.МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД

Сглубокой древности и до наших дней природные каменные строительные материалы широко используют в строительстве. Они относительно доступны и обладают высокими техническими показателями: прочностью, морозостойкостью, долговечностью, хорошими декоративными свойствами.

В зависимости от способа обработки горных пород различают следующие виды каменных материалов и изделий. Выпиливанием или выкалыванием из массива добывают плиты и блоки для каменной кладки, облицовочные плиты, профильные детали и др. Некоторые материалы подвергают обработке скалывающими инструментами, например бортовый камень, другие — грубоколотые — направляют непосредственно на строительные объекты без последующей механической обработки (брусчатка). Крупный рваный камень (бут) получают после взрывания пород в карьере или при шпуровой разделке крупных блоков; при последующем дроблении из него получают щебень, каменную крошку, песок, а при помоле — минеральный порошок. Из природных сортированных залежей добывают окатанный обломочный материал в виде валунов, булыжника, гальки, гравия. Из природного камня без изменения его состава получают также плавленые материалы (каменное литье).

Для каждого конкретного строительства СНиПом рекомендуются определенные виды материалов и изделий из природного камня. Для возведения фундаментов, например, пригоден бутовый камень, пиленые и колотые камни из всех видов пород, а для кладки стен — камни (плиты), блоки из всех разновидностей известняков, доломитов, песчаников, вулканического туфа; для наружной облицовки применяют облицовочные плиты, профильные изделия из гранита, сиенита, диорита, габбро, базальта, кварцита, иногда мрамора и др., а для внутренней отделки — те же изделия, но получаемые из мрамора, мраморовидных известняков, гипсового камня, туфов и др. (рис. 8.9). Природный камень широко используют в дорожном строительстве в виде бортового и мостильного камней, брусчатки, тротуарных плит (рис. 8.10), для защитной облицовки мостовых опор, а также в конструкциях зданий и сооружений. Например, из гранита построен Большой каменный мост через Москва-реку, из известняка — колоннада Большого академического театра, из песчаника — подпорная стенка храма Василия Блаженного, из габбро — Российская государственная библиотека.

Рис. 8.9. Разновидности штучных изделий из природного камня:

1 — облицовочные плиты; 2 — стеновые блоки; а, г — тесаные, б, д — пиленые, в — колотые

208

Рис. 8.10. Разновидности применения природного камня в дорожном строительстве:

а — бортовый камень: прямой (1), лекальный (2), для съездов (3), 6 — брусчатка: шашка (1), мозаика (2)

Правильный выбор пород для конкретных строительных работ предусматривает их разделение по величинам прочности при сжатии с выделением марок: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000 (соответственно — от 0,4 до 100

МПа). К легким относятся каменные материалы, маркируемые в интервале включительно от 4 до 200, а к тяжелым — от 300 и выше. Такая же маркировка предусмотрена по степени морозостойкости, которая устанавливается числом циклов замораживания и оттаивания: Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 200, 300 и 500. По средней плотности выделяют породы тяжелые, со средней плотностью более 1800 кг/м3, средние — 1800—1500 кг/м3 и легкие — со средней плотностью менее 1500 кг/м3. Для возможного снижения прочности при увлажнении пород последние маркируют по коэффициенту размягчения (во- достойкости) в пределах 0,6; 0,75; 0,9 и 1.

С учетом вышеуказанных марок уточняют выбор пород, предназначенных для определенных видов строительства. Например, для стеновой кладки подходят только те породы, которые характеризуются марками: по морозостойкости — не менее 15, коэффициенту размягчения — не менее 0,6 и прочности — в зависимости от вида породы; для плотных известняков — в пределах не менее 150, для пористых ракушечников — 25— 125 и т. д. Аналогичным образом СНиПом предусматриваются конкретные марки камня для наружной отделки зданий и сооружений, каменных материалов специального назначения (кислото- и щелочестойких, огнеупорных), а также материалов, применяемых в гидротехнических сооружениях и т. п. Материалы и Изделия из природного камня отличаются определенными размерами. Для индустриального строительства с приме- нением подъемных кранов для кладки стен используют крупные каменные блоки массой

0,5—1,5 т, длиной 400—3000 мм, шириной 300—500 мм и высотой 800—1000 мм.

Крупные стеновые блоки изготовляют размерами 390x190x188; 490x240x188 и 390x190x288 мм. Облицовочные плиты пиленые обычно имеют толщину 12—80 и ширину 200—1000 мм. В настоящее время в связи с переходом на алмазную обработку для облицовки применяют плиты толщиной 10 мм и меньше.

Размеры дорожных штучных изделий из камня изменяются в следующих пределах: бутовый камень в поперечнике достигает 150—500 мм; брусчатка для мостовых делится по высоте на низкую (высотой 100, шириной 120—150 и длиной 150—250 мм); среднюю (высотой 110—130 мм) и высокую (высотой 140—160 мм) и соответственно с аналогичными низкой брусчатке шириной и длиной. Получаемый при дроблении пород щебень является смесью угловатых обломков размером от 5 (иногда от 3) до 70 мм; содержание обломков пластинчатой (лещадок) и игловатой формы допускается в нем не более 15—25% по массе. Вместе со щебнем получают высевки (искусственный дробленый песок) с размерами до 1 мм. Помолом осадочных карбонатных, реже

209

кварцевых, пород изготовляют минеральные порошки с размерами, необходимыми при производстве соответствующих видов ИСК.

210