Физико-механические свойства горных пород

                           Физико-механические свойства горных пород.

Твердость

Твердость характеризует  способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости  слагающих ее минералов.

Абразивность  горных пород

Абразивность - это  особое свойство пород, выражающееся в  способности изнашивать породоразрушающий  инструмент в процессе бурения.

Упругость горных пород

Способность породы восстанавливать первоначальную форму  и объем после прекращения  действия внешних усилий.

Хрупкость горных пород

Способность горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под воздействием внешних усилий.

Пластичность  горных пород

Способность породы необратимо изменять, без нарушения  сплошности, свою форму и размеры  под действием внешних усилий; чаще всего проявляется в условиях всестороннего сжатия породы.

Установлено, что  горные породы, обладающие высокими упругопластичными  свойствами, разбуриваются медленнее, чем упруго-хрупкие породы.

Приростость горных пород

Наличие в породе пустот (пор); оценивается коэффициентом  пористости, представляющим собой отношение  суммарного объема пор и пустот в  породе к объему породы.

Плотность горных пород

К основным физическим свойствам горных пород относятся  плотность пород и плотность  твердого компонента породы. Плотностью породы называется масса единицы  объема породы с естественной влажностью и ненарушенным строением.

Устойчивость  горных пород

Способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит  от условий залегания, характера  связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания. При бурении в слабоустойчивых  породах обрушаются стенки скважины, снижается выход керна, повышается износ буровых коронок и снижается скорость бурения за счет потери времени на борьбу с осложнениями.

Трещиноватость  горных пород

Совокупность в  породе трещин различного происхождения  и разных размеров. Наличие трещиноватости уменьшает прочность породы, но увеличивает  ее абразивность.

Влагоёмкость  горных пород

Способность породы удерживать то или иное количество влаги.

Водопроницаемость горных пород

Способность породы пропускать воду при наличии перепада давлений.

Водопоглощение  горных пород

Способность сухой  породы впитывать воду при выдерживании ее в воде при атмосферном давлении и комнатной температуре; определяется как отношение разности в массах свободнонасыщенного и сухого образца  породы к массе сухого образца.

Зернистость горных пород

Совокупность расположения частиц в породе, которые могут  различаться по своему внутреннему  строению, форме или размеру. Различаются  породы мелко-, средне- и крупнозернистые.

Каверхность горных пород

Наличие в породе пустот (каверн).

Сланцеватость горных пород

Сложение горных пород, делящихся на тонкие плоские  параллельные слои, плоские плитки или пластинки.

Слоистость  горных пород

Повторяющаяся в  разрезе неоднородность осадков: по составу, крупности зерна, окраске  и другим особенностям.

Предел  прочности при  сжатии

Максимальная величина сжимающего напряжения, испытываемого  породой в момент разрушения образца; определяется как отношение нагрузки, разрушающей образец, к первоначальной площади его поперечного сечения. 
 

Таблица: Пределы прочности горных пород при сжатии, скалывании и растяжении 

Горные породы.Предел прочности на скалывание δск . 105, Па.Предел прочности на сжатие δсж . 105, Па Предел прочности на растяжение δраст . 105, Па

Мрамор 91 1650 -

Известняк 95-192 1030-1640 91

Андезит 96 986 58

Гранатовый скарн 96 1015 -

Туф 110 1156 67

Доломит 118 1620 69

Гранодиорит метаморфизованный 130 1412 -

Гранодиорит 211-222 2336-2659 -

Гранит мелкозернистый 198 1660 120

Гранит среднезернистый 220 2592 143

Сиенит 221 2152 143

Сиенит-порфир 296 2250 143

Диорит 240 2390 -

Диорит-порфир 302 3240 -

Габбро 244-375 2300-3406 135

Скарн рудный 255 2098 

Скарн эпидото-гранатовый 305 2762 -

Кератофир 268-373 2285-3740 138

Альбитофир 282 1728 119

Кварцит 316 3050 144

Базальт 322 3245 -

Диабаз 347 3430 134 

Предел  прочности при  растяжении

Максимальное растягивающее  напряжение, испытываемое породой в  момент разрушения образца: определяется как отношение нагрузки, разрушающей  образец, к первоначальной площади  его поперечного сечения.

Предел  прочности при  скалывании

Максимальное скалывающее  напряжение, испытываемое породой в  момент разрушения образца; определяется как отношение нагрузки, разрушающей  образец, к площади сдвига.

Предел  прочности при  изгибе

Максимальное изгибающее напряжение, испытываемое породой в  момент разрушения образца; определяется как отношение изгибающего момента, разрушающего образец, к моменту  сопротивления соответствующего сечения.

Разрушающее напряжение

Мера внутренних сил в деформируемой породе, вызывающих ее разрушение.

Удельная контактная работа разрушения

Полная работа разрушения, отнесенная к площади контакта резца (алмаза, шарошки и т.п.) с породой.

Значительное влияние  на разрушаемость горных пород при  бурении оказывает такой показатель, как временное сопротивление  сжатию. Приведенные в табл. 5.7 данные по определению временного сопротивления  некоторых горных пород сжатию, растяжению и скалыванию показывают, что предел прочности пород при скалывании в 6-12 раз меньше прочности при  сжатии. В свою очередь предел прочности  при растяжении в 1,5-2 раза меньше сопротивления  на скалывание. 
 
 
 
 
 
 
 
 

. Физико-механические свойства щебня

Основными свойствами щебня из природных каменных материалов являются:

прочность

морозостойкость

лещадность

истинная, средняя  и насыпная плотности

водопоглощение и  водонасыщение

зерновой состав и форма зерен

активность естественных радионуклидов (радиоактивность).

Адгезия щебня:

Одной из специфических  характеристик щебня является адгезия. Этот параметр отражает оценку качества сцепления битумных вяжущих с  поверхностью щебня. Необходимо отметить, что на качество сцепления влияет цвет щебня. Лучшие показатели по адгезии  дает серый и темно серый щебень.

Зерновой  состав щебня:

Зерновой состав каждой фракции должен удовлетворять  требованиям ГОСТ 8267-93 "Щебень и  гравий из плотных горных пород для  строительных работ". Исходя из требований указанного ГОСТа следует, что в  фракции щебня, поставляемой на строительство, например 20-40мм, количество зерен размером мельче 20мм не должно превышать 10%, а  зерен крупнее 1,25*D (50 мм) не более 0,5%. Эти требования необходимы для строгого соблюдения зернового состава отдельных  фракций. Соблюдение данных требований отражается в рассеве.

Лещадность  щебня:

В щебне нормируют  содержание зерен пластинчатой (лещадной - произошло от слова "лещ", т.е. плоский как лещ) и игловатой  форм. К зернам пластинчатой и игловатой  форм относят такие зерна, толщина  или ширина которых менее длины  в три раза и более. По форме  зерен щебень подразделяют на четыре группы (содержание зерен пластинчатой и игловатой форм, % по массе):

I группа "кубовидная" до 15%,

II группа "улучшенная" от 15% до 25%,

III группа "обычная"  от 25% до 35%,

IV группа "обычная"  от 35% до 50%. 

Необходимо заметить, что "лещадность" это одна из самых  важных характеристик качества щебня. Чем меньше лещадность, тем качественнее считается щебень. Использование  щебня кубовидной формы дает наиболее плотную утрамбовку.

Наличие в щебне  зерен пластинчатой и игловатой  форм приводит к увеличению межзерновой  пустотности в смеси. Это в  свою очередь приводит к увеличению расхода связующего компонента, а  это влечет за собой дополнительные материальные затраты. Кроме того, кубовидные зерна обладают большей прочностью, чем зерна пласинчатой и игловатой  форм. Следовательно, использование  кубовидного щебня в производстве экономически целесообразнее.

Морозостойкость щебня:

Морозостойкость щебня  характеризуют числом циклов замораживания  и оттаивания. Разрешается оценивать  морозостойкость щебня по числу  циклов насыщения в растворе сернокислого натрия и высушивания. По морозостойкости  щебень подразделяют на марки: F15; F25; F50; F100; F150; F200; F300; F400.

Показатели морозостойкости  щебня и гравия определяют при  испытании замораживанием и оттаиванием  или насыщением в растворе сернокислого натрия и высушиванием.

В строительстве  в основном применяют щебень с  маркой прочности не менее F300.

Прочность щебня:

Прочность щебня  характеризуют пределом прочности  исходной горной породы при сжатии, дробимостью щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре, и износом  в полочном барабане. Эти показатели имитируют сопротивление каменного  материала при воздействии проходящих по дороге транспортных средств и  механические воздействия в процессе строительства дорожных конструкций (укладка и уплотнение катками).

В зависимости от марки щебень делят на группы: высокопрочный  М1200-1400, прочный М800-1200, средней прочности  М600-800, слабой прочности М300-600, очень  слабой прочности М200.

В щебне нормируют  содержание зерен слабых пород с  пределом прочности исходной породы при сжатии в водонасыщенном состоянии  до 20 МПа. По ГОСТ 8267-93 щебень марок М1400, М1200, М1000 не должен содержать зерна  слабых пород в количестве более 5%, щебень марок М800, М600, М400 более 10%, щебень марок М300 и М200 более 15% по массе.

Наибольшим спросом  пользуется гранитный щебень прочностью М1200, реже используется высокопрочный  гранитный щебень или базальтовый  щебень с маркой прочности М1400-1600. В основном он используется в производстве тяжелых высокопрочных бетонов, в несущих мостовых конструкциях, фундаментах.

Радиоактивность щебня:

Самая важная характеристика, с которой обычно начинается обсуждение качества строительного щебня с  покупателем - это его радиоактивность.                                                             

Если продукция  должна быть пригодна для всех без  исключения видов строительных работ, что должно быть подтверждено соответствующими сертификатами и санитарно-эпидемиологическими  заключениями, исследованиями спец. лабораторий, то это означает, что весь поставляемый гранитный щебень и др. виды высокопрочного щебня относятся к I-му классу по радиоактивности (менее 370Бк/кг)

Для строительства  дорог подходит щебень II класса по радиоактивности (более 370Бк/кг)

Содержание  пылевидных и глинистых  частиц:

В щебне нормируют  содержание пылевидных и глинистых  частиц (размером менее 0,05 мм). Кроме  того, выделяют комки глины с крупностью частиц от 1,25 мм до наибольшего размера  зерен щебня данной фракции при  смеси фракций. Для всех видов  и марок щебня по прочности  содержание глины в комках в общем  количестве пылевидных и глинистых  частиц не должно превышать 0,25% по массе. В щебне из магматических и  метаморфических пород содержание пылевидных и глинистых частиц по массе не должно превышать 1 %, в щебне  из осадочных пород марок от М600 до М1200-2%, а марок от М200 до М400-3%.