ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Для випробування відбирають зразок гірської породи, типовий для даної поставки, розміром приблизно 30 × 30 × 40 см, зі свіжим розколом. У випадку неоднорідності зразка за складом треба відібрати для опису 2–3 зразка з цієї гірської породи.

Опис зовнішніх ознак включає вимірювання зразка гірської породи у трьох вимірах у сантиметрах, характеристику його форми, яка пов’язана з формою окремості гірської породи – кубовидної, плитовидної, паралелепіпедальної, ромбічної, кутастої, сфероїдальної, неправильної та ін.

Колір, однорідність та блиск породи залежать від її мінерального складу, цементуючої речовини в осадових зцементованих гірських породах, ступенем вивітрюваності та вологості породи. Якщо офарблення зразка неоднорідне, зазначають основний та другорядні кольори, наявність плям, примазок та жилок. Ознаками вивітрюваності є помутнілі кристали, бурі плями на них, затіки.

Блиск скляний, жирний, перламутровий, шовковистий у поєднанні з кольором характеризує мінеральний склад гірської породи, ступінь її вивітреності та декоративні особливості – рисунок поверхні породи.

Мінеральний склад. За зовнішніми ознаками визначають мінерали, що входять до складу гірської породи, розміри кристалів або зерен мінералів та характер їх розташування, вид цементуючої речовини. При виконанні цих завдань слід користуватись даними табл. 2.1.

Наявність у породі мінералів кальцита та доломіта можливо також виявити реакцією з ними 10 %-ного водного розчину соляної кислоти, при якій спостерігається «закипання» крапель кислоти, що потрапляють на поверхню зразка гірської породи.

Твердість породи залежить від мінерального складу, виду цементуючої речовини, ступеню вивітреності, вологості. Твердість простих (мономінеральних) гірських порід визначають за шкалою твердості Мооса, що являє собою перелік мінералів, розташованих у порядку зростання індексу твердості: 1 – тальк; 2 – кам’яна сіль або гіпс; 3 – ангідрит або кальцит; 4 – плавиковий шпат; 5 – апатит; 6 – ортоклаз; 7 – кварц; 8 – топаз; 9 – корунд; 10 – алмаз.

21

22

Клас

1

I силікати

Група

2

Польові шпати

Залізистомагнезіальні (темнопофарбовані) силікати

Слюда

Глинисті

мінерали

Підгрупа

3

Ортоклаз

Плагіоклаз

Амфібол

Піроксен

Олівін

Мусковіт

Біотит

Каолініт

Монтморилоніт

Гідрослюди

Таблиця 2.1

Класифікація, склад та властивості породоутворюючих мінералів

Істинна

Твер-

Назва, хімічний склад

Колір

щільність,

Індивідуальні ознаки

дість

кг/м3

4

5

6

7

8

Ортоклаз

Рожевий,

бордово-

Гладкі, рівні, блискучі

червоний, жовтий,

2560 – 2580

6 – 6,5

К[AlSi

3

O ]

поверхні

8

рідше білий

Альбіт

Білий, сірий, зелену-

2600 – 2760

6 – 6,5

Те саме

Na[AlSi3O8]

вато-сірий

Роговаобманка

Від зеленого до чор-

Кристали голкуваті, призма-

(Са, М )2+ (Аl, Fe3+, Fe2+,

3000 – 3400

5,5 – 6,5

тичні, злам скалкуватий,

M ) [(SiAl)O ] (OH)

ного

блиск скляний

5

11 2

2

Авгіт

Чорний,

зеленувато

3300 – 3600

5 – 6

Кристали короткопризма-

(Ca, Na) (M, Fe, Al, Li)

тичні, восьмикутні, злам

та буровато-чорний

[(Si, Al)2O6]

нерівний, блиск скляний

Олівін

Маслиново-зелений,

3200 – 4400

6,5 – 7

Зернисті маси, скляний, жир-

(М, Fe)

2

[SiO ]

іноді чорний

ний блиск, злам раковистий

4

Мусковіт

Безкольоровий,

2760 – 3010

2,5 – 3

Дуже досконала спайність,

здатність розщеплюватись на

КAl2[Al Si3O8] [OH]2

прозорий

найтонші пружні пластинки

Біотит К(М, Fe)3

Чорний,

чорно-зеле-

2500 – 3500

2,8 – 3,4

Те саме

(Al SiO3O10)(OH, Fe)2

ний

Каолініт

Білий з буроватим або

М’яка

або щільна

землиста

2580 – 2600

1,25

маса,

жирна на

дотик,

Al

[Si

O

10

] (OH)

8

зеленуватимвідтінком

4

4

з матовим блиском

Монтморилоніт

Світло-зелений,

Na(M, Al)2[Si4O10]

2000 – 2500

1 – 2

Те саме

білий

(OH)2 4H2O

Іліт К1-1,5 (Н2О)1-0,5Al4

Матово-білий

2600

1 – 2

Те саме

[Si

7-6,5

Al

O

] OH)

4

1-1,5

20

23

1

карбонатиII

оксидиIII

-

гідро IVксиди

V -сульфіди

VIсуль фати-

2

Карбонати

Кварц

Гідроксиди

Сульфіди

Сульфати

							Закінчення табл. 2.1
	3
		4	5	6	7			8
	Кальцит	Кальцит СаСО3	Білий, сірий, без-	2710	3	Бурхливо закипає при дії 10%-
			кольоровий			ної соляної кислоти
			Безкольоровий, білий,			На холоді не реагує, при
	Магнезит	Магнезит М СО		3000 – 3300	3,5 – 4,5	нагріванні реагує			з	соляною
		3	сірий, коричневий			кислотою
		Доломіт	Безкольоровий, білий з			У порошку		при	нагріванні
	Доломіт		жовтуватим та	2800 – 2900	3,5 – 4	закипає	у	5 %-ній		соляній
		СаМ [СО3]2
			буроватим відтінком			кислоті
						Висока міцність та стійкість до
	Кварц	Кварц SiO2	Безкольоровий, білий	2650	7	вивітрювання, злам раковистий,
						блиск скляний
		Опал	Молочно-білий,			Злам раковистий, блиск вос-
	Опал		червоний, жовтий,	1900 – 2500	5 – 6
		SiO2 nH2O				ковий
			зелений, голубий
	Лімоніт
		Лімоніт, суміші гідро-	Жовтий, бурий, майже
	(бурий			3600 – 4000	4 – 5,5	Значні коливання властивостей
		оксидів Fe3+	чорний
	залізняк)
	Пірит					Блиск металічний,			при вивіт-
						рюванні	швидко руйнується з
	(сірковий	Пірит FeS	Латунно-жовтий	4900 – 5200	6 – 6,5
	колчедан)	2				утворенням		бурих	плям, що
						викришуються
			Безкольоровий, білий,			М’який, подряпується нігтем,
	Гіпс	Гіпс CaSO4 2H2O	іноді голубий, жовтий,	2310 – 2320	2	блиск скляний, перламутровий
			червонуватий
			Матово-білий, сірий,			За зовнішнім виглядом нагадує
	Ангідрит	Ангідрит CaSO4	світло-рожевий,	3000	3 – 3,5	мармур, але м’який та не реагує
			світло-голубий			з НСl

Якщо відомий мінеральний склад гірської породи, твердість якої слід визначити, обирають близький за твердістю еталон. Еталоном проводять по поверхні породи і породою – по поверхні еталону. Якщо подряпина залишається на породі, це означає, що вона м’якше еталона, та навпаки. Випробування продовжують до тих пір, поки не буде знайдено еталон, твердість якого еквівалентна твердості гірської породи. Для полімінеральних гірських порід такий метод може дати лише приблизне уявлення про їх твердість.

Структуру (будову) гірської породи та її однорідність визначають на свіжому зламі зразка породи по крупності, розташуванню кристалів та зв’язку між ними. Структура може бути кристалічною (табл. 2.2), прихованокристалічною, порфіровою, склуватою, зернистою та ін.

Таблиця 2.2

Різновиди структури гірських порід за крупністю кристалів (зерен)

	Розмір кристалів (зерен), мм
Різновиди структур
гірських порід	вивержені породи	осадові породи
	(кристалічні)	(зернисті)
Дрібнокристалічна	2–3	до 0,75
Середньокристалічна	3–5	0,75–1,5
Крупнокристалічна	5–10	1,5–3
Грубозерниста	більш 10	3–5

Текстуру та її однорідність визначають з урахуванням взаємного розташування кристалів або зерен, що складають породу, та наявністю пор. Текстура може бути щільною та пористою (дрібнота крупнопористою, ніздрюватою, кавернозною), сланцюватою, шаруватою, лускоподібною, волокнистою, землистою, однорідною, або неоднорідною.

Характер розколу визначають на свіжому зламі породи. Він може бути правильним або неправильним, гладким, шорстким, скалкуватим, землистим. Поверхня розколу може бути рівною, нерівною, хвилястою, рваною, раковистою, голкуватою та ін.

24

Характер ребер також визначають на свіжому зламі породи. Ребра можуть бути тупими, гострими, ріжучими та ін.

Наявність, розмір та розташування тріщин, включень землистих мінералів визначають по звуку при ударі молотком (дзвінкий, глухий, деренчливий). За петрографічними ознаками, мінеральним складом та структурно-текстурними ознаками можливо надати попередню (орієнтовну) оцінку якості гірської породи і уточнити програму лабораторних випробувань з урахуванням передбачуваного використання гірської породи.

Приклад опису зовнішніх ознак та петрографічної характе-

ристики породи. Зразок близької до кубовидної форми розмірами 25 × 26 × 30 см. Розкол правильний, з шорсткою по-верхнею, ребра гострі та прямі. Структура породи дрібно-кристалічна. Для гірських порід з подібною структурою характерні підвищені міцність та довговічність. Текстура породи щільна й однорідна, що також притаманно для міцних, стійких до зовнішніх діянь гірських порід.

Колір породи світло-сірий, з підпорядкованими чорними та білими склоподібними вкрапленнями. Як на поверхні, так і на свіжому зламі ознак вивітрювання (тріщин, слабких зерен) не виявлено. Світло-сірий колір надає породі польовий шпат, чорні вкраплення – авгіт, білі склоподібні вкраплення – зерна кварцу.

Оскільки окремість наближається до кубовидної, орієнтовно можна зазначити, що з цієї гірської породи одержують штучні камені. Шорстка поверхня та гострі ребра зумовлюють одержання подрібнених матеріалів.

Висновок: порода, що досліджується, належить до групи вивержених глибинних гірських порід. Її назва граніт. Попередня рекомендація щодо її використання: виготовлення бортового каменя, брущатки, бутового каменя, щебеню, штучного піску.

Лабораторні випробування фізико-механічних властивостей гірської породи призначають вже з урахуванням одержання певного виду природного кам’яного матеріалу. Наприклад, якщо порода буде використана для одержання щебеню для асфальтобетону слід визначити її істинну та середню густину, пористість та зносостійкість породи. Якщо щебінь буде призначено для виробництва дорожнього цементобетону, додатково необхідно визначити його водовбирання, водонасичення, морозостійкість,

25

міцність породи при стиранні. Тільки після цих випробувань дану гірську породу можна рекомендувати для одержання певного виду природного кам’яного матеріалу.

2.3. Фізичні властивості гірських порід та природних кам’яних матеріалів

Властивості матеріалів (виробів) – це їх особливості, які виявляються при взаємодії з явищами оточуючого середовища або з іншими матеріалами (виробами).

Властивості будівельних матеріалів поділяють на фізичні, механічні, хімічні, технологічні, експлуатаційні та інші, залежно від впливу, який спричиняє на матеріал навколишнє середовище.

Фізичні властивості по’єднують характеристики фізичного стану матеріалу (істинну, середню, насипну густину), його будови та пов’язаної з нею пористості і відношення до різних фізичних процесів (взаємодії з водою, дією тепла, електричного струму та ін.).

Істинна густина матеріалу (ρ) – маса одиниці об’єму матеріалу в абсолютно щільному стані, без пор та порожнин

ρ=	m	, г/см3,	(2.1)
	V
	a

де ρ – істинна густина, г/см3; m – маса сухого зразка, г;

Va – об’єм зразка в абсолютно щільному стані, см3.

Істинна густина гірської породи залежить від її мінерального складу. З урахуванням того, що природні кам’яні матеріали мають пори, для визначення об’єму матеріалу в абсолютно щільному стані їх необхідно подрібнювати до тонкого стану. Для цього пробу гірської породи масою до 150 г подрібнюють до частинок розміром менш 1,25 мм, зменшують продукт подрібнення до маси 30 г і висушують цю пробу до постійної маси при температурі 105– 110 °С. Дальше подрібнення проводять в агатовій ступці або кульковому фарфоровому млині до повного проходження частинок порошку крізь сито з сіткою 02 (900 отворів на 1см2). Одержану

26

пробу висушують до постійної маси при температурі 105–110 °С і охолоджують в ексикаторі, щоб порошок не поглинав вологу з повітря.

Істинну густину гірських порід визначають з допомогою пікнометра або об’ємоміра.

Пікнометр являє собою плоскодонну скляну колбу з вузькою шийкою з певним об’ємом, що позначено спеціальною позначкою на шийці (рис. 2.1).

Висушений пікнометр місткістю 100 мл зважують на аналітичних терезах (m1) з точністю до 0,01г. До пікнометра висипають 5–10 г підготовленої проби і знов зважують (m2). Потім до пікнометра заливають приблизно до половини об’єму дистильовану воду і кіп’ятять її у пікнометрі на піщаній бані протягом 15–20 хв. до вилучення повітря з поверхні частинок проби. Бульбашки повітря також можуть бути вилучені за допомогою вакуумування в ексикаторі до припинення виділення бульбашок повітря. Після вилучення повітря кіп’ятінням води у пікнометрі його охолоджують до температури зовнішнього середовища, доливають дистильовану воду до позначки на шийці за нижнім меніском та зважують (m3). Після цього з пікнометра вилучають суміш, миють, заповнюють знов до позначки на шийці за нижнім меніском дистильованою водою і знов зважують (m4).

Рис. 2.1. Пікнометр

27

Об’єм порошку в абсолютно щільному стані підраховують за формулою

	Va =	(m2 −m1) + m4 −m3	, см3,	(2.2)
		ρр

де m2 – m1 – маса сухого порошку у пікнометрі до випробування, г; m3 – маса пікнометра з пробою порошку та дистильованою

водою, г;

m4 – маса пікнометра, заповненого до позначки на шийці дистильованою водою, г;

ρр – істинна густина рідини, інертної відносно того матеріалу, що досліджується, наприклад, дистильованої води або безводного керосину, при випробуванні гірських порід, см3.

Істинну густину матеріалу, який випробовують, підраховують за формулою (2.1) з точністю до 0,01 г/см3 як середнє арифметичне значення двох випробувань, показники яких відрізняються не більш ніж на 0,5 %.

Визначення істинної густини гірської породи з допомогою об’ємоміра (приладу Ле-Шательє-Кандло) є спрощеним прискореним методом випробування. Об’ємомір являє собою посудину місткістю 120–150 см3 з вузькою градуйованою шийкою, в нижній частині якої є сферичне розширення. Нижче та вище цього розширення нанесені дві риски, а об’єм шийки з розширенням між ними складає 20 см3 (рис. 2.2).

Для усунення можливого коливання температури об’ємомір розміщують у скляній посудині з водою таким чином, щоб уся градуйована частина розташовувалась у воді з температурою, при якій зроблено градуювання приладу, та закріплюють до штатива. Об’ємомір заповнюють до нижньої нульової поділки за нижнім меніском інертною щодо досліджуваного матеріалу рідиною.

Вільну частину об’ємоміра ретельно витирають фільтрувальним папером. Після цього зважують 70–80 г зовсім сухого підготованого порошку (m1) з точністю до 0,01 г і невеликими порціями висипають його до об’ємоміра крізь воронку, поки рівень рідини не підійметься до першої поділки верхньої частини приладу. Залишок порошку зважують (m2) з точністю до 0,01 г і визначають масу порошку, який знаходиться в об’ємомірі m = m1 – m2. Для вилучення бульбашок повітря об’ємомір обертають навколо вертикальної осі протягом 10 хв. Після встановлення рівня рідини в

28

об’ємомірі за нижнім меніском визначають об’єм, який займає порошок Va за поділками на градуйованій шийці об’ємоміра. Істинну густину матеріалу визначають за формулою (2.1) з точністю 20 кг/м3 (0,02 г/см3) за результатами двох випробувань.

Рис. 2.2. Об’ємомір Ле-Шательє-Кандло

Середня густина матеріалу (ρm) – маса одиниці об’єму сухого матеріалу в природному стані, з порами і тріщинами. Середня густина гірської породи залежить від її мінерального складу і пористості

	ρm =	m	, г/см3,	(2.3)
		V
		п

де m – маса абсолютно сухого зразка, г;

Vп – об’єм зразка в природному стані, см3.

Методи визначення середньої густини матеріалу залежать від виду зразка матеріалу (зразок з правильною або з неправильною геометричною формою, щільний або пористий).

Визначення середньої густини на зразках правильної геометричноїформи (куб, циліндр, паралелепіпед) здійснюютьнап’ятизразках.

Найменший розмір зразка з щільної гірської породи має бути не менш 40 мм, а зразків з пористих гірських порід – не менш 100 мм.

Геометричні розміри зразка вимірюють штангенциркулем у трьох місцях – по ребрах та посередині грані. За кінцевий результат

29

приймають середній арифметичний показник трьох вимірювань. Потім висушений зразок зважують на технічних терезах з точністю до 0,01г і визначають середню густину за формулою (2.3).

Визначення середньої густини на зразках неправильної геометричної форми (щільних та пористих) здійснюють на п’яти зразках за допомогою гідростатичного зважування. Зразки гірської породи масою не менш 200 г очищують від пилу, висушують до постійної маси при температурі 105–110 °С в сушильній шафі і охолоджують в ексикаторі. Для щільних гірських порід середню щільність визначають таким чином. Зразок зважують у сухому стані (m), потім занурюють у воду до повного змочування поверхні. Після цього зразок обв’язують тонкою ниткою і зважують у воді (m1) на гідростатичних терезах (рис. 2.3). Об’єм зразка підраховують з використанням закону Архімеда

Vп = (m – m1) / ρв, см3,

(2.4)

де m – маса сухого зразка, г;

m1 – маса зразка, зануреного у воду, г;

ρв– істинна густина води, приймається рівною1 г/см3 (1000 кг/м3).

а	б

Рис. 2.3. Терези для визначення об’єму зразка неправильної геометричної форми

гідростатичним зважуванням: а – звичайні, б – електронні

Середню густину гірської породи визначають за формулою (2.3) з точністю 0,02 г/см3.

Для пористих гірських порід середню густину визначають з використанням парафіну. Сухий зразок зважують з точністю до 0,02 г (m). Потім його покривають тонкою парафіновою плівкою

30