СМ 2013

21

стандартных образцов возможны значительные колебания результатов, такие результаты не могут служить характеристикой прочности. Для того, чтобы получить достоверный показатель прочности, необходимо провести испытание серий образцов с последующей статистической обработкой результатов.

Для оценки эффективности материала определяют также удельную прочность (коэффициент конструктивного качества, Ккк). Значение Ккк определяется­ как частное от деления предела прочности материала (например, при сжатии) в МПа на его среднюю плотность ρо (кг/м³). Величина Ккк стали изменяется в пределах от 0,05 до 0,13, древесины – 0,20, тяжелого (обычного) бетона – 0,01-0,02, кирпича – 0,005-0,015.

Ударная вязкость (прочность при ударе) – способность материала сопротивляться разрушению при ударе. Ударную вязкость характеризуют работой, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема (Дж/м³) или к единице площади образца (Дж/м²).

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. Твердость различных материалов определяется по разным методикам. Так, твердость горных пород оценивают по минералогической шкале, содержащей 10 минералов, и показатель твердости изменяется в пределах от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Минерал, имеющий более высокий порядковый номер, оставляет черту на предыдущем. Минералогическая шкала включает минералы: тальк, гипс, кальцит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд, алмаз. Твердость металлов, бетона, пластмасс оценивают вдавливанием стального шарика, алмазной призмы и других твердых тел.

Твердость металлических сплавов часто определяют путем вдавливания в образец твердых, изготовленных из малодеформирующегося материала шарика, конуса или пирамиды. Твердость характеризуется способностью материала сопротивляться пластической деформации на поверхности образца. Например, в поверхность испытуемого образца при заданной нагрузке вдавливается шарик определенного диаметра, изготовленный из закаленной стали (твердость по Бриннелю). Число твердости HB определяется по формуле:

(1.17)

где P – нагрузка на шарик, кгс;

F – площадь сферической поверхности отпечатка, мм²; D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

22 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Истираемость – способность материала разрушаться под воздействием истирающих нагрузок. Истираемость И, г/см², определяют как отношение потери массы стандартным образцом к площади истирания:

(1.18)

где m  – масса материала до испытания, г; m  – масса материала после испытания, г; F – площадь образца, см².

Определение истираемости проводится при испытании напольных материалов – горных пород, керамики, пластмасс.

Износостойкость – способность материала сопротивляться воздействию ударных и истирающих нагрузок. Характеризуется потерей массы материала при его испытании во вращающемся барабане со стальными шарами.

Напряжения, возникающие в материале связаны с его деформа­ цией – изменением объема, формы и размеров образца без нарушения сплошности. Деформации могут быть обратимыми (упругими, эластичными) или необратимыми (пластическими или остаточными).

Упругость – способность материала под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения дейст­ вия нагрузок. Упругие деформации обусловлены изменением расстояний между атомами в структуре.

Пластичность – способность материалов изменять форму и размеры под действием нагрузок и сохранять их после удаления нагрузки.

Релаксация – самопроизвольное снижение уровня напряжений в материале при постоянной деформации. Обусловлена массопереносом – пере­ мещением атомов, молекул, дефектов в структуре твердого тела.

1.6.  Химические свойства

Такие свойства характеризуют способность строительных материалов сохранять свой химический, фазовый состав и структуру при воздейст­ вии окружающей среды (агрессивной среды).

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться воздействию кислот (кислотостойкость), щелочей (щелочестойкость) растворенных в воде солей (солестойкость) и газов.

Изменение состава и строения материалов под воздействием внешней агрессивной среды называется коррозией.

23

1.7.  Акустические свойства

Звукопоглощающая способность материала характеризуется коэффициентом αзв. Коэффициент звукопоглощения определяют отношением поглощенной звуковой энергии ко всей энергии, падающей на материал. За единицу звукопоглощения принимают звукопоглощение 1 м² открытого окна.

Коэффициент звукопоглощения определяется в акустической трубе и рассчитывается по формуле

(1.19)

где Eпогл – поглощенная звуковая волна; Eпад – падающая звуковая волна.

1.8.  Долговечность материалов

Долговечность строительных материалов определяется сроком их службы без потери нормируемых эксплуатационных свойств в определенных климатических условиях и заданном режиме эксплуатации. Долговечность зависит от физических, механических и химических свойств материала. Оценка долговечности в условиях эксплуатации требует проведения длительных испытаний. Ускоренные испытания проводятся в специальных климатических камерах, моделирующих реальные условия эксплуатации.

1.9.  Технологические свойства материалов

Рассматриваемые свойства характеризуют способность материала к восприятию технологических операций с целью изменения формы, размеров, плотности.

Вязкость – обусловлена внутренним трением жидкости, препятствующим перемещению одного слоя относительно другого. Характеризуется динамическим коэффициентом вязкости, измеряется в Па·c. Величина обратная вязкости называется текучестью (в случае жидкостей) и подвижностью (коагуляционные, вязкопластичные системы).

Предел текучести – напряжение, при котором материал пластически деформируется без увеличения нагрузки, т. е. превращается в вязкую жидкость.

24 Глава 1.  Технические свойства строительных материалов

Тиксотропия – способность структуры после разрушения (например, при перемешивании) самопроизвольно восстанавливаться. Тиксотропия характерна для материалов, имеющих коллоидную структуру, – бетонных, растворных смесей и других.

Адгезия – слипание поверхностей двух разнородных твердых или жидких тел. Обусловлена взаимодействием на молекулярном уровне между различными фазами. Адгезия повышается, если молекулы полярны или содержат химически активные полярные группы. Количественно адгезию можно характеризовать работой, затраченной на разделение тел. Адгезия определяется при испытании минеральных и органических клеев, имеет место при пайке, сварке, склеивании, нанесении лакокрасочных и полимерных покрытий.

Когезия – характеризуется силами связи между частицами внутри данного твердого тела. Когезия определяет агрегатное состояние вещества, его летучесть, растворимость и механические свойства (прочность, истираемость и другие).

25

Глава 2.  ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Природный камень играл особую роль в истории материальной культуры как прочный и долговечный материал. Поэтому культурное наследие многих стран и народов, применявших камень в быту, искусстве и строительстве,­ дошло до нас хорошо сохранившимся. Широкое применение камня в строительстве обусловлено доступностью сырья, высокой прочностью, сравнительной легкостью обработки ударом, высокой декоративностью, разнообразием свойств камня. Остатки сооружений из природного камня обнаружены практически повсеместно. Это пирамиды Египта и Теночтитлана, сооружения Баальбека, Великая Китайская стена

имногие другие. На территории России природный камень применялся в строительстве монастырей и храмов (храм Покрова на Нерли и др.).

Источником, местом добычи камня является наружная оболочка Земли (геосфера), называемая также земной корой или литосферой, которая состоит из минералов и горных пород.

Минералами называют химические элементы или химические соединения, образовавшиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре.

Минералы имеют две характерные особенности:

1.Однородный химический состав и определенные, характерные для данного минерала, свойства. Большинство минералов являются химическими соединениями постоянного или переменного состава.

2.Минералы в земной коре образуются в результате природных процессов, в отличие от синтетических минералов, полученных в лабораторных и промышленных условиях.

Изучены более 7000 минералов, из которых сравнительно небольшая группа (30-50 минералов) образуют горные породы, широко применяющиеся в строительстве. Эти минералы являются основной частью массы горной породы, определяют ее название и физико-химические свойства и называются главными или породообразующими. Минералы, содержащиеся в горной породе в сравнительно небольшом количестве, называются второстепенными или примесями.

Свойства минералов определяют технические свойства горных пород

иявляются диагностическими признаками. К индивидуальным свойст­ вам минералов относятся кристаллографическое очертание, спайность

идругие.

Кристаллографическое очертание – изучение кристаллической структуры является надежным способом определения минералов. Большинство минералов являются твердыми телами, имеющими кристаллическое строение. Кристаллы – твердые тела, для которых

26 Глава 2.  Природные каменные материалы

характерны однородность, анизотропность свойств и способность к образованию правильных многогранников. Строение кристалла является индивидуальной особенностью минерала; по сочетанию различных типов симметрии кристаллы подразделяют на 32 класса, которые в свою очередь разделяются на группы – сингонии. Исключением является явления изоморфизма и полиморфизма. Образование одним и тем же веществом модификаций с различными кристаллическими структурами называется полиморфизмом, а сами структуры – полиморфными формами (модификациями), например α- и β-кварц, переходы, связанные с изменением кристаллической структуры, называются полиморф­ ными переходами.

Кристаллические вещества, обладающие однотипным химическим составом и физическими свойствами, иногда образуют сходные кристаллические структуры. Это явление называется изоморфизмом. Изоморфные вещества обладают склонностью к образованию твердых растворов, кристаллов с переменным содержанием компонентов.

Спайность – способность минералов раскалываться при ударе по опре­ деленным направлениям с образованием в плоскости раскола гладкой, блестящей поверхности.

Раскалывание кристаллов по плоскостям спайности обусловлено плоскими сетками структуры кристалла, связи между которыми ослаблены. Различают три типа спайности:

1.Весьма совершенную (слюда), когда от кристалла можно отделить тонкие пластинки.

2.Совершенную (полевой шпат, кальцит), когда образовавшиеся обломки ограничены гладкими поверхностями.

3.Несовершенную (кварц), когда образуется в целом неровная поверхность раскола с отдельными гладкими участками.

Цвет минералов может быть различным. По цвету минералы подразделяются на светлые (кварц, кальцит) и темные (биотит, оливин).

Блеск минералов может быть металлическим (пирит), стеклянным (горный хрусталь).

Излом – характер поверхности при раскалывании. Различают излом раковистый (кварц), землистый (мел), зернистый (мрамор) и другие.

К числу индивидуальных свойств минералов относятся также твердость (определяются по минералогической шкале), температура плавления, ковкость, магнитность, радиоактивность и другие.

Горными породами называют минеральные агрегаты, сложенные из одного или нескольких минералов и занимающие значительные участки земной коры.

Если горная порода состоит преимущественно из одного минерала, она называется мономинеральной. Горные породы, состоящие из двух и более минералов, называются полиминеральными.

27

Основным признаком, отличающим мономинеральную породу от соответствующего минерала, является то, что она занимает определенный объем в земной коре, т. е. является геологическим телом. Кроме того, эти породы могут содержать некоторое количество примесей.

Физико-механические свойства горных пород и, следовательно, область их применения в строительстве определяются следующими показателями:

1.Минералогическим составом и содержанием минералов.

2.Строением горных пород (структурой и текстурой), характером сложения породы из минералов и минеральных агрегатов.

3.Отдельностью – формой залегания в литосфере.

Структура горной породы – особенности строения, обусловленные степенью закристаллизованности, размерами, формой и способом сраста­ ния зерен.

Структура горной породы, так же как и текстура, определяется условиями ее образования.

Различают следующие типы структур:

1.Полнокристаллическая, зернистая – структура глубинных магматических и метаморфических горных пород (гранит, габбро, мрамор, гнейс).

2.Полукристаллическая – структура излившихся магматических горных пород. Кроме кристаллических фаз порода содержит вулканическое стекло (диабаз, базальт и др.).

3.Стекловатая – структура излившихся обломочных горных пород

(обсидиан, перлит и другие).

В зависимости от максимального размера зерна различают следующие структуры:

1.Крупнозернистая, размер зерна превышает 5 мм;

2.Среднезернистая, размер зерна изменяется в пределах от 2 до 5 мм;

3.Мелкозернистая, с размерами зерен от 0,2 до 2 мм.

С уменьшением максимального и среднего размера зерна в структуре повышается термостойкость и долговечность горной породы. Например, мелкозернистый­ гранит относится к весьма долговечным горным породам, а крупнозернистый – к долговечным (ГОСТ 9479).

По относительной величине кристаллов различают структуры равномерно- и неравномерно-зернистые (порфировые и порфировидные).

Порфировая структура характерна для магматических излившихся горных пород (кварцевый порфир, порфирит), в которых полиминеральная порода содержит отдельные крупные кристаллы тугоплавких минералов и вулканическое стекло.

Порфировидной называют зернисто-кристаллическую структуру. Породы с порфировидной структурой содержат отдельные крупные вкрапленники.

28 Глава 2.  Природные каменные материалы

Текстура горной породы – особенности строения, обусловленные ориентировкой и пространственным расположением минеральных агрегатов. Различают следующие типы текстур:

1.Однородная – характеризуется равномерным распределением составных частей (минералов) в горной породе.

2.Неоднородная – горная порода состоит из участков и слоев различного минералогического состава.

3.Гнейсовидная – кристаллы имеют преимущественную ориентировку, деформированы, как правило, в одном направлении (гнейс, сланцы).

4.Плотная (гранит, габбро).

5.Пористая (вулканический туф, трепел и др.).

Отдельность – монолитный участок в массиве горной породы. Природные массивы горных пород обычно содержат трещины, которые разделяют массив на участки разной формы и размеров. В зависимости от условий образования и условий существования породы в литосфере, трещины в массиве часто имеют определенный характер, зависящий от поля напряжений.

Различают следующие виды отдельности: плитообразную, кубическую, столбчатую, шаровую и др. Отдельность облегчает добычу (отделение от массива), но ограничивает максимальный размер штучных камней и изделий.

Классификация горных пород

Горные породы классифицируются по происхождению (генезису, условиям образования в литосфере). Ниже приведена упрощенная генетическая классификация, содержащая только те горные породы, которые широко применяются в строительстве. В соответствии с генетической классификацией горные породы подразделяются на три группы – изверженные (магматические), осадочные и видоизмененные (метаморфические).

2.1.  Изверженные (магматические) горные породы

Магматические горные породы образовались при извержении, охлаждении и отвердевании магмы – алюмосиликатного расплава, находившегося в мантии или литосфере (рис. 2.1).

При охлаждении магмы внутри земной коры (медленное охлаждение) образуются массивные глубинные, или интрузивные, горные породы.

Если магма изливается на поверхность литосферы, то при сравнительно быстром охлаждении образуются массивные излившиеся (эффузивные) горные породы.

При извержении вулканов, когда магма выбрасывается в атмосферу, образуются обломочные (рыхлые и цементированные) горные породы.

29

Рис.  2.1.  Классификация магматических горных пород

Классификация магматических горных пород по генезису приведена на рис. 2.1.

Породообразующие минералы магматических горных пород

Минералы, образующие магматические горные породы, подразделяются на четыре группы.

Кварц – кристаллический SiO . Крупные кристаллы кварца называют горным хрусталем. Истинная плотность – 2,65 г/см³, твердость по минералогической шкале – 7, температура плавления – 1728 °С. При температуре 573 °С β-кварц переходит в α-кварц (полиморфный переход с увеличением объема на 1,5 %). Кварц относится к прочным и химически стойким минералам. При разрушении полиминеральных горных пород образует кварцевые пески.

Полевые шпаты – алюмосиликаты калия, натрия и кальция. По составу и свойствам разделяют на две группы:

1. Ортоклаз (прямораскалывающийся) – K O·Al O ·6SiO . Обладает совершенной спайностью, угол между плоскостями спайности 90 °С.

30 Глава 2.  Природные каменные материалы

Истинная плотность – 2,56 г/см³, твердость по минералогической шкале – 6.

2. Плагиоклазы:

Альбит – Na O·Al O ·6SiO ; Анортит – CaO·Al O ·2SiO .

Альбит и анортит образуют изоморфные смеси различного состава, называемые олигоклазом, андезином, лабрадором и битовнитом. Истинная плотность плагиоклазов изменяется в пределах от 2,62 до 2,76 г/см³, твердость – 6. При разрушении (выветривании) они превращаются в водные алюмосиликаты – породообразующие минералы глин.

Слюды – водные алюмосиликаты калия, магния и железа. Обладают весьма совершенной спайностью, слюды можно разделять на тонкие пластинки.

Мусковит KАlSi(OH) [AlSi O ] – прозрачная тугоплавкая слюда, истинная плотность – 2,76-3,00 г/см³.

Биотит K(Mg,Fe) (OH,F) [AlSi O ] – магнезиально-железистая слюда черного цвета, истинная плотность – 2,80-3,20 г/см³.

Вермикулит образуется путем окисления и гидратации биотита, содержит химически связанную воду. Вермикулитовый концентрат используется в производстве теплоизоляционных материалов.

Флогопит KMg (OH,F) [Si AlO ] – магнезиальная слюда. Истинная плотность – 2,70-2,85 г/см³, твердость 2,0-2,5 , при выветривании превращается в вермикулит.

Слюды понижают прочность и долговечность полиминеральных горных пород и затрудняют их обработку (выравнивание, шлифование, полировку).

Темноокрашенные минералы – железисто-магнезиальные силикаты (соли поликремневых кислот) представлены тремя группами минералов – амфиболами, пироксенами и оливином. Характерным представителем амфиболов является роговая обманка, пироксенов – авгит. По химическому составу темноокрашенные минералы являются солями поликремневых кислот (силикатами) магния и железа. Например, оливин (MgFe) [SiO ]. Минералы этой группы имеют характерную темно-серую и черную окраски, истинная плотность изменяется в пределах от 3,0 до 3,6 г/см³, твердость – 5-6. Минералы отличаются высокой прочностью и химической стойкостью.

Массивные изверженные горные породы

Глубинные магматические горные породы

Глубинные (интрузивные) породы – гранит, сиенит, диорит и габбро, полиминеральные горные породы, структура – зернисто-кристалличес- кая, текстура – плотная (приложение, рис. А.1).