ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Показники міцності щільних гірських порід приблизно однакові як у сухому, так і у водонасиченому стані (Кр наближається до 1). Міцність пористих порід і таких порід, що піддаються розмоканню у воді (гіпсовий камінь, глинисті пісковики та ін.), знижується після насичення водою.

Визначення межі міцності гірських порід при розколюванні

Показник міцності гірської породи на стиск за результатами випробування кубічних або циліндричних зразків не завжди відбиває умов праці кам’яного матеріалу (зокрема, щебеню) у конструктивних шарах дорожнього одягу або гірських порід у процесі подрібнення і одержання з них щебеню.

Щебінь у конструктивних шарах дорожнього одягу у процесі їх улаштування та експлуатації піддається найбільш небезпечним для нього напруженням розтягнення. В зазначених умовах руйнування щебеню часто відбувається шляхом розколювання.

Метод випробування гірських порід при розколюванні запропонований у ХАДІ проф. Волковим М.І. Метод полягає у визначенні міцності гірських порід без виготовлення зразків правильної геометричної форми. Зразки гірської породи випробовують на розколювання між двома взаємоспрямованими рифлями (стержнями діаметром 10 мм), які закріплені на верхній та нижній плитах гідравлічного пресу (рис. 2.6). Для випробування обирають зразки без попередньої підготовки, розміром по найбільшому виміру не менш 200 мм, також використовують циліндричні зразки – керни діаметром 100 мм та довжиною

100–200 мм.

Зразок породи встановлюють між рифлями, які закріплені на плитах преса (рис. 2.7), і доводять до зіткнення із зразком. Потім вмикають насос преса, забезпечують швидкість зростання напруження у межах 0,3–0,5 МПа і визначають руйнівне навантаження. Площу руйнування зразка визначають на одній із половинок зразка планіметром, для чого наносять на папір контур площини розколу або спрощено підраховують за результатами вимірювання штангенциркулем характерних розмірів площі розколу.

42

Міцність гірських порід на стиск за результатами випробування зразків на розколювання стержнями обчислюють за рівнянням

де Rстс – міцність гірських порід на стиск за результатами випробування зразків на розколювання стержнями, МПа (кгс/см2);

α – кореляційний коефіцієнт для переходу від міцності на розколювання стержнями до міцності на стиск; α = 10–12 для магматичних та метаморфічних гірських порід; α = 8–10 – для осадових гірських порід.

2.5. Випробування щебеню і гравію

Щебінь – природній кам’яний матеріал, який одержують шляхом подрібнення гірських порід. Розмір зерен щебеню від 5 до 80 мм. До щебеню відносять також кутасті уламки, що утворились внаслідок природного руйнування (вивітрювання) гірських порід та шляхом механічного подрібнення штучних кам’яних матеріалів (керамічних, шлакових та ін.).

Гравій – осадова уламкова гірська порода, яка утворилась через накопичення механічних залишків від руйнування гірських порід і їх обробки водним середовищем. Зерна гравію мають розмір від 5 до 80 мм, але, на відміну від зерен щебеню, мають обкачену форму і відносно рівну поверхню. Іноді гравій подрібнюють і таким чином одержують щебінь із гравію. Щебінь і гравій використовують у будівництві для улаштування дорожнього одягу, виробництва асфальтота цементобетонних сумішей.

Якість щебеню залежить від властивостей початкової гірської породи та технології її подрібнення і визначається мінеральним складом, присутністю домішок, крупністю та формою зерен, шорсткістю поверхні, зерновим складом та фізико-механічними властивостями.

Якість гравію залежить від його петрографічного та гранулометричного складів, виду та вмісту домішок залежно від його походження, крупності та форми зерен, фізико-механічних

44

властивостей. Методи випробувань щебеню із природного каменя, гравію та щебеню із гравію для будівельних робіт викладені у відповідних нормативах. Нижче наведені методи випробувань щебеню (гравію) із насипною густиною більш 1800 кг/м3.

Відбір проб. При визначенні фізико-механічних властивостей щебеню (гравію) відбирають часткові проби і об’єднують їх у середню пробу, яку старанно перемішують і зменшують методом квартування. Маса матеріалу у пробі залежить від крупності зерен щебеню (гравію) та виду випробувань. До лабораторії направляють пробу, розмір якої перевищує потрібну для випробувань масу щебеню (гравію) не менш, ніж у 4 рази. Розмір проби призначають залежно від виду випробування та розміру зерен у фракції згідно з ДСТУ БВ 2.7-71-98.

Мінерально-петрографічний склад щебеню (гравію) визначають при геологічному розвідуванні, а також в спеціалізованих лабораторіях підприємства-споживача. При цьому визначають наявність шкідливих домішок (рудні мінерали, сполуки сірки та окису сірки, мінерали і породи, які здатні до взаємодії із лугами, органічні домішки).

Визначення зернового (гранулометричного) складу щебеню (гравію)

Зерновий (гранулометричний) склад щебеню (гравію) визначають за допомогою стандартного набору сит із круглими отворами діаметром 5; 10; 20; 40 і 80 мм. Щебінь (гравій) висушують. Маса проби (кг) залежить від найбільшої крупності зерен: 5–10 мм – 5; 10–20 мм – 10; 20–40 мм – 20; 40–80 мм – 30 і більш

80 мм – 40 кг. Пробу просівають крізь стандартний набір сит і визначають частинні та повні залишки на кожному ситі у відсотках від маси усієї проби. Частинним залишком називають відношення маси залишку на ситі до маси усієї проби, що просівають, виражене у відсотках. Повний залишок підраховують як суму частинних залишків на всіх ситах більшого розміру плюс частинний залишок на даному ситі.

Для гравію, який забруднений домішками глини, проводять мокре просівання крізь набір стандартних сит з додатковим ситом з отворами розміром 0,14 мм. Частинки, які проходять з водою крізь це сито, відкидають. Залишки гравію на кожному із сит висушують і

45

визначають частинні та повні залишки у відсотках по масі, приймаючи за 100 % суму залишків у грамах на всіх ситах.

Визначення вмісту зерен пластинчастої (лещадної) та голкуватої форми

Вміст у щебені (гравії) пластинчастих (лещадних) та голкуватих зерен визначають окремо для кожної фракції. Пластинчастими (лещадними) та голкуватими є такі зерна, товщина та ширина (лещадні) або відповідно тільки товщина (голкуваті) яких менша довжини у 3 рази і більш.

Рис. 2.8. Шаблон для виявлення зерен щебеню (гравію) пластинчастої та голкуватої форми

Із проби щебеню (гравію) відбирають зазначені зерна візуально або при користуванні пересувного шаблону (рис. 2.8), або з допомогою штангенциркуля. Зважують спочатку усі відібрані лещадні та голкуваті зерна (m), а потім усі інші зерна (m1). Підрахунок для кожної фракції проводять за формулою

де Ппл – вміст пластинчастих (лещадних) та голкуватих зерен,%; Вміст цих зерен розраховують як середнє арифметичне

значення результатів двох випробувань кожної фракції.

За формою зерен щебінь (гравій) поділяють на три групи: кубовидну – з вмістом зерен пластинчастої та голкуватої форми за масою не більш 15 %, поліпшену – не більш 25 %, та звичайну – не більш 35 %.

46

Визначення вмісту у щебені (гравії) зерен слабких порід

Щебінь (гравій), призначений для випробування, розсівають на ситах на стандартні фракції. Від кожної фракції беруть пробу згідно з табл. 2.6.

Одержані проби висушують до постійної маси. Вміст у щебені (гравії) зерен слабких порід визначають окремо для кожної фракції щебеню (гравію). Якщо у складі щебеню (гравію), що випробовують, вміст окремої фракції не перевищує 5 % за масою, для цієї фракції вмістзеренслабких порідне визначають.

Таблиця 2.6

Границі зернового складу щебеню

Випробування полягає у виділенні з проби кожної фракції щебеню (гравію) зерен слабких порід з границею міцності при стиску у насиченому водою стані менш 20 МПа (200 кгс/см2). При цьому слід мати на увазі те, що відмінною ознакою зерен слабких порід є те, що вони, як правило, розламуються руками чи руйнуються легкими ударами молотка.

При пошкрябуванні сталевою голкою зерен вивержених та метаморфічних порід і алюмінієвою голкою зерен осадових карбонатних порід на їх поверхні залишається подряпина. Слабкі зерна карбонатних порід звичайно маютьокругленуформу, безвиступівтагострих кутів.

Відібрані з проби зерна слабких порід зважують і підраховують їх вміст Хсл у відсотках за формулою

де m1 – маса зерен слабких порід, г; m – загальна маса проби, г.

47

Вміст зерен слабких порід по пробі щебеню (гравію) в цілому обчислюють як середньозважене значення результатів випробування кожної фракції. З метою уточнення вмісту зерен слабких порід у щебені користуються механічним індикатором міцності каменю типу Т-3 (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Терези для визначення об’єму та наважки щебеня: 1 – посудина зі зливом для води або звичайна посудина; 2 – сітчастий (гофрований) стакан; 3 – стакан з дрібом; 4 – гирі

Залежно від розміру фракції щебеню (гравію) для його установлення прилад має змінний циліндричний упор з шириною щілини 2,9 мм у випадку зерен фракції 10–20 мм та з шириною щілини 4,2 мм – у випадку більш крупних зерен. При цьому відстань між краєм ребер щілинного упору та віссю, що проходить через вістря зубів приладу, має дорівнювати ширині щілини.

Кожне сумнівне за міцністю зерно, що обрано при розбиранні проби щебеню, установлюють клиноподібним кінцем між зубами приладу до щілинного упору. Після цього обертанням диску гвинтового механізму приладу стискують зуби і відколюють частину каменю. По контрольній стрільці манометру визначають границю міцності каменю при розтягненні. Шкала манометру градуйована для випадку використання упору зі щілиною шириною 4,2 мм, при використанні упору зі щілиною 2,9 мм показники манометру подвоюють.

Для переходу від показників приладу до границі міцності каменю при стиску попередньо визначають перехідний коефіцієнт за результатами випробування зразків породи правильної форми на стиск під пресом та кусків тієїжпородимеханічним індикатором типу Т-3.

Зерна щебеню, міцність яких нижче зазначеної величини, та їх уламки зважують і уточнюють вміст у щебені зерен слабких порід.

48

Середню густину зерен щебеню (гравію) визначають на пробах масою 2,5 кг (при випробуваннях фракцій до 40 мм) і 5 кг (крупніше 40 мм). Пробу очищують від пухких частинок та пилу, висушують і зважують дві наважки по 1000 г. Кожну наважку насичують водою при кімнатній температурі протягом 2 год (рівень шару води над щебенем або гравієм повинен бути не менш 20 мм). Потім проби виймають із води, вилучають вологу з поверхні зерен м’якою вологою тканиною і зважують спочатку на повітрі, а потім поміщають пробу до металевого сітчастого стакана і зважують на гідростатичних терезах (рис. 2.8). Розрахунки проводять за формулами (2.3) та (2.5) і визначають середнє арифметичне значення з результатів двох випробувань. Точність зважування у випадку маси зразка до 1 кг – 1 г.

Щебінь, одержаний з гірських порід із дрібними відкритими порами, замість насичення водою покривають тонкою плівкою парафіну і середню щільність визначають за формулою (2.5).

Середню густину зерен щебеню (гравію) можливо визначити за допомогою об’ємоміра (посудини із зливним краном). Щебінь (гравій) масою 1 кг заливають водою на 1 год для того, щоб поверхня зерен була змочена водою. Потім щебінь (гравій) виймають із води і вилучають з його поверхні вологу м’якою тканиною. Об’ємомір встановлюють на горизонтальній поверхні і заливають до нього воду так, щоб рівень води установився біля зливного крана. Коли вода перестане капати із зливного крана, під нього підставляють зважений стакан. Щебінь (гравій) обережно опускають до об’ємоміра, щоб вода, яка витісняється щебенем (гравієм), виливалась до стакана. Коли увесь щебінь (гравій) буде перенесено до об’ємоміра, слід зачекати, щоб знов був встановлений рівень води у зливного крана. Стакан з витісненою водою зважують.

Середня густина щебеню (гравію)

де m – вага сухого щебеню (гравію), г; m1 – вага стакана, г;

m2 – вага стакана з витісненою водою, г;

49

ρв – істинна густина води при температурі випробування, г/см3;

ρв = 1 г/см3 (1000 кг/м3).

Зазначені показники визначають як середнє арифметичне

значення з результатів двох випробувань з точністю 0,02 г/см3

(20 кг/м3).

Насипну густину щебеню (гравію) визначають при зважуванні щебеню (гравію) даної фракції у мірному циліндрі необхідного розміру за методикою, яка описана раніш. Об’єм мірного циліндра визначають залежно від найбільшої крупності щебеню або гравію

(табл. 2.3).

Пустотність щебеню (гравію) Vпуст визначають на основі проведених визначень середньої (ρm) та насипної густини (ρн) щебеню (гравію) підрахунком за формулою

Вологість щебеню (гравію) визначають на пробах вагою від 0,5 до 10 кг (вагу проби призначають залежно від максимальної крупності щебеню) за наведеною методикою визначення вологості гірських порід. Розрахунки проводять за формулою (2.8).

Морозостійкість щебеню (гравію) прямим заморожуванням визначають для кожної фракції окремо. Фракції, які складають за вагою менш 5 % маси проби, не підлягають випробуванням на морозостійкість. Зерна крупністю більш 80 мм подрібнюють і випробують фракцію розміром 40–80 мм. Вага проби залежить від крупністі зерен щебеню (гравію): 5–10 мм – 1 кг; 10–20 мм – 15; 20–40 мм – 2,5; 40–80 мм – 5 кг. Одночасно від кожної фракції випробують по дві проби.

Морозостійкість щебеню (гравію) визначають прискореним методом у розчині сірчанокислого натрію. Випробування проводять за методикою по визначенню морозостійкості гірських порід. Витрату у масі розраховують за формулою (2.14).

Дробильність щебеню (гравію) при стиску у циліндрі – здатність щебеню (гравію) витримувати напруження стиску без руйнування. Дробильність характеризує міцність щебеню (гравію). Цей показник дає змогу встановити марку щебеню (гравію), яка відповідає межі міцності при стиску віхідної гірської породи

50