3.9. Морозостойкость горных пород

Морозостойкость — способность горной породы в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. При замерзании вода увеличивается в. объеме примерно на 10% и образующийся лед давит на стенки материала, понижает его прочность, а со временем и разрушает.

Все породы с водопоглощением свыше 0,5% подвергаются испытанию на морозостойкость. Это испытание проводят на образцах кубической формы размером 5x5x5 см или формы цилиндров с высотой и диаметром 5 см. Испытание заключается в попеременном замораживании и оттаивании водонасыщенных образцов при температурах минус 20° и плюс 20°. Количество циклов замораживания и оттаивания принимается до 200 и более в зависимости от класса сооружения и условий работы каменного материала в сооружении. Порода считается выдержавшей испытание на морозостойкость, если на образцах не обнаружено повреждений в виде трещин, расслаиваний, округлений ребер и углов.

Для породы, выдержавшей испытание на морозостойкость, определяют степень снижения прочности, которую выражают коэффициентом морозостойкости.

Коэффициент морозостойкости К_мрз вычисляют по формуле

где; R_мрз — предел прочности при сжатии образца, подвергавшегося замораживанию, МПа;

R_c — предел прочности при сжатии сухого образца, не подвергавшегося замораживанию, МПа.

Морозостойкие горные породы имеют коэффициент морозостойкости, близкий единице. В образцах, не выдержавших испытание на морозостойкость, для большей наглядности определяют потерю массы.

K морозостойким относят породы, коэффициент морозостойкости которых Kмр = 0,75. Mорозостойкость оценивают также количеством циклов промораживания и оттаивания, приводящим к разрушению породы. Так, карбонатные породы выдерживают 100-200 циклов, песчаники и порфириты - до 400. Mорозостойкость снижается при увеличении эффективной пористости пород, степени их насыщения водой (рис.3.?), значительных температурных градиентах. Мелкозернистые однородные породы, как правило, более морозостойкие, чем крупнозернистые полиминеральные горные породы.

Рисунок. Зависимость коэффициента морозостойкости карбонатных пород от насыщения водой.

Лекция 11(4 часа)

3.10. Электрические и магнитные свойства горных пород

Электрическая поляризация. В любой горной породе имеются свободные и связанные заряды. К свободным зарядам относятся электроны, а к связанным – ионы.

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на поверхности горой породы появляются неуравновешенные заряды. Это явление носит название электрической поляризации, т.е. электрическая поляризация горных пород – это возникновение на поверхности горных пород неуравновешенных зарядов.

В зависимости от механизма поляризации и типа частиц, участвующих в ней выделяют четыре вида поляризации: электронную, ионную, дипольную и миграционную.

Электронная поляризация возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер. Электронная поляризация присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации.

a) б)

Е = 0 Е

+q

-q

-q

б)

Р=0

Рисунок 12- 1 .Электрическая поляризация горных пород

а) - при отсутствии внешнего электрического поля;

б) при наличии внешнего электрического поля.

Р – суммарный вектор поляризации; Е – направление действия электрического поля;

q - величина электрического заряда; - перемещение электронов.

Ионная поляризация (атомная) поляризация образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с ковалентной связью.

Дипольная поляризациянаблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. В некотором объеме породы, состоящем из таких молекул, из-за хаотического расположения, суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

Миграционная поляризациявозникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электронными свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом. При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большому диполю.

Время установления дипольной и миграционной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, поэтому дипольная и миграционная поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов.

Поляризации пород сопутствует явление электрострикции. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков под действием электрического поля и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу и смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.

Поляризация, возникающая в результате приложения механических нагрузок на породу вызывает пьезоэлектрический эффект. Нагрузив монокристалл кварца, получают разноименные заряды на его противоположных гранях. Этот эффект обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла, которая значительно больше, чем электрострикция. Пьзоэффект в отличие от электрострикции зависит от направления поля. Поэтому, приложив к граням кристалла переменные электрические поля, можно вызвать вибрацию кристалла.

В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Поэтому в любом веществе суммарная напряженность электрического поля Е_эоказывается меньше, чем в вакууме Е_э0.Отношение Еэ /Еэ₀,показывающее, во сколько раз напряженность поля в веществе меньше по сравнению с вакуумом,называется относительной диэлектрической проницаемостью ε_r, являющейся мерой поляризации вещества.

Диэлектрическая проницаемость минералов при небольших частотах находится в пределах от 3 до 25. Наименьшее значение величины диэлектрической проницаемости от 3 до 4 имеют минералы, обладающие в основном электронной поляризацией (гипс, сера). Минералы, у которых к электронной поляризации добавляется ещё ионная поляризация, обладают большей диэлектрической проницаемостью.

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, носит название электрической проводимости.

Количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называется плотностью электрического тока:

3.- 19

n - число заряженных частиц в единице объема;q- заряд частицы;- средняя скорость направленного движения зарядов.

Известно, что скорость направленного движения зарядов , гдеu – подвижность частиц, подставляя это значение в формулу 12-1 получим плотность тока в виде

3-20

Это уравнение представляет собой закон Ома, причем коэффициент , зависящий от вида и состояния проводящей породы,называется её удельной электрической проводимостью. Величина обратная удельной электрической проводимости называется удельным электрическим сопротивлением.

Удельное электрическое сопротивление горных пород зависит от минерального состава, структуру, текстуры, влажности и температуры пород.

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектриков, удельная электрическая проводимость является электрическим параметром проводников. Горные породы в основном входят в группу полупроводников, характеризующихся свойствами как диэлектриков, так и проводников.

Прохождение тока через горные породы может проходить с переносом вещества (ионная, ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества.