Физико-механические свойства горных пород

Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость.

Механическая прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2).

Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04.

Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.

Упругость - способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам.

Пластичность - способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства.

Хрупкость - способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие.

Твёрдость - способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения пород при бурении зависит в основном от агрегатной твердости. Относительная твердость минералов по шкале Мооса приведена в табл. 1.

Таблица 1. Относительная твёрдость минералов по шкале Мооса

Минералы	Твёрдость	Способ определения твёрдости
Тальк	1	Легко чертится ногтем
Каменная соль	2	Чертится ногтем
Кальцит	3	Легко чертится ножом
Плавиковый шпат	4	Чертится стеклом. Ножом чертится под небольшим давлением
Апатит	5	Чертится стеклом. Ножом чертится под небольшим давлением
Ортоклаз	6	Ножом не чертится. Слегка царапает стекло
Кварц	7	Легко царапает стекло
Топаз	8	Легко царапает стекло
Корунд	9	Легко царапает стекло
Алмаз	10	Легко царапает стекло

Абразивность - способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен.

С увеличением частоты вращения бурового снаряда износ породоразрушающего инструмента обычно растет быстрее, чем скорость бурения.

Плотность породы и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей - изверженные.

Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента.

Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.

Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки частиц разрушенной породы на поверхность.

Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников - до 40%, у мела - от 5-7 до 40-45%, у песков - около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.

В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором - поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.

В пористых твердых породах скорость бурения и износ резцов увеличиваются.

Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д.

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости.

Плывучесть - свойство пород течь при вскрытии. Таким свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность пород вызывается или движением воды, перемещающей частицы пород, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой.

Устойчивость - поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.

55

Наиболее распространенными строительными материалами, получаемыми в результате процесса измельчения, являются нерудные материалы (щебень, гравий, песок). Продукцию заводов нерудных строительных материалов широко используют в промышленном, гражданском, железнодорожном, автодорожном и гидротехническом строительстве. Вследствие широкой области применения нерудных материалов требования потребителей к его качеству нередко существенно отличаются, что вызывает необходимость применения различного оборудования даже при переработке одной и той же исходной горной массы.

Щебень получают из естественного камня путем дробления взорванных скальных пород. Требования к щебню для строительных работ изложены в ГОСТ 8267—64. По этим требованиям щебень разделяют на фракции: (3) 5—10; 10—20 (25); 20 (25) — до 40 (50 и 60); 40—70 мм. Цифры в скобках обозначают размеры зерен фракций щебня, предназначенного для автомобильных дорог и балластного слоя железнодорожного пути. Для гидротехнического строительства предусмотрены дополнительные фракции: 40—80 и 80—120 мм.

В зависимости от соотношения между длиной а и толщиной с зерна щебня классифицируют на лещадные и кубообразные. К лещадным относят зерна, у которых отношение а : с > 3; все остальные зерна считаются кубообразными.

По упомянутому ГОСТу содержание лещадных зерен в товарных фракциях не должно превышать 15% по массе. В ответственных случаях, например при производстве высоконапорных железобетонных труб, количество лещадных зерен в щебне должно быть еще меньше — не более 10%. Для получения щебня с содержанием лещадных зерен, не превышающим требований ГОСТа, в технологическую схему вводят специальное оборудование (грануляторы) для исправления формы зерен.

Качество щебня характеризуется допустимым закрупнением или замельчением товарных фракций. Так, в определенной товарной фракции, например 20—40 мм, содержание зерен крупнее максимального размера (крупнее 40 мм) и зерен мельче минимального размера (меньше 20) не должно превышать 5%.

Гравий представляет собой сыпучий материал крупностью 3 (5) — 70 мм с окатанной формой зерен, образовавшийся в результате естественного разрушения горных пород. Зерна размером 70—150 мм называют крупным гравием, крупнее 150 мм — валунами.

1.2. Песок Основными видами песков для строительных работ являются природный и искусственный (дробленый). Природные пески могут быть речными, морскими, горными и овражными. Речные и морские пески имеют округлую форму зерен. Горные пески содержат  остроугольные зерна и больше загрязнены вредными примесями. Природный песок в зависимости от зернового состава подразделяется на четыре группы, характеризуемые модулем крупности и полным остаткам на сите с отверстиями 0,63 мм, определяемым после отсева от песка, зерен крупнее 5 мм (табл. I. ). Таблица I. Классификация природного песка по крупности

Группа песка	Модуль крупности	Полный остаток на сите 0.63% (по массе)
Крупный	Более 2,5	Более 50
Средний	2,5-2,0	30-50
Мелкий	2,0-1,5	10-30
Очень мелкий 1,5-1,0	1,5-1,0	Менее 1.0

Модуль крупности Мкр равен сумме полных остатков, полученным при просеивании проб песка на стандартном наборе сит с отверстиями размером 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 м.м, деленной на 100: Мкр = (А2.5* А1,25* А0,63* А0,315* А0,14)/100 где А2.5, А1.25, А0.63, А0.315, А0.14 - полные остатки на ситах с круглыми отверстиями, %. Модуль крупности дает возможность достаточно просто численно выразить результаты ситового анализа и сопоставить кривые просеивания песков различного зернового состава. Дробленый песок по зерновому составу должен соответствовать зерновому составу природных крупного или среднего) песков. Количество зерен, проходящих сквозь сито с сеткой № 0,14 не должно быть более 10%. Суммарное количество пылевидных и глинистых частиц в природном песке не должно превышать 3%, в искусственном (дробленом) песке - 5% содержание глины соответственно не более 0,5%. Эти примеси наиболее вредны: обволакивая зерна песка, они повышают пустотнсть и вместе с тем препятствуют сцеплению песка с цементным камнем. А это ухудшает качество бетона. Пылевидные, илистые и глинистые примеси повышают водопотребность бетона. Органические примеси в песке обнаруживаются в виде мелких частиц, пленок на поверхности зерен, гумусовых кислот. Они могут взаимодействовать с минералами цемента, что отрицательно влияет на прочность растворов и бетонов, поэтому содержание органических примесей должно быть ничтожно малым. Содержание примеси органических (гумусовых) веществ, определяется на основе колориметрического испытания 3%-ным раствором едкого натра, который придает раствору окраску темнее цвета эталона. Однако это испытание носит качественный, а не количественный характер и не служит основанием для окончательного суждения о пригодности мелкого заполнителя. Если в песке повышенное содержание примесей, необходимо провести специальные исследования возможности его использования. Широкое применение в строительстве находят искусственные пески, которые получают из отсева дробления скалькых пород (продукт с размером зерен менее 5 мм), отходов горно-обогатительных комбинатов (ГОКов), шлаков и зол. В стране ежегодно образуется до 200 млн. м3 отсева с модулем крупности 2,5-3,5, в то время как 90% территории страны имеет природный песок с модулем крупности 1,0-1,5. Если в отсеве не содержится чрезмерного количества глинистых примесей, то его можно использовать в качестве мелкого заполнителя бетона без обогащения. Зерна отсева имеют остроугольную пластинчатую форму. Это увеличивает пустотность и водопотребность песка. При дроблений пород пористые слабые разности измельчаются сильнее и попадают в мелкие Фракции отсева. Туда же попадают слюдистые и другие нежелательные минералы. В результате мелкие фракции отсева не только обусловливают большую водопотребность отсева, но и существенно ухудшают другие его свойства, как мелкого заполнителя бетона. Целесообразно отсев разделять на мелкий (с размером зерен до 0,63 или 1,25 мм) и крупный (0,63-5 или 1,25-5 мм). Мелкий продукт можно использовать в качестве песка для устройства оснований, а крупный - как компонент бетона. 1.3. Щебень, гравий и бутовый камень  Щебень представляет собой куски камня размером от 5 до 150 мм,. Получают его дроблением горных пород. Щебень применяют в строительстве в соответствии со стандартами, строительными нормами и правилами, а также техническими условиями на соответствующие виды строительных работ. По пределу прочности при сжатии щебень подразделяют на марки 1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200 (табл. 2).

Для приготовления бетона применяют щебень крупностью 70 мм. Различают следующие фракции щебня: 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм, 40-70 мм. Щебень может выпускаться фракционный, т.е. состоящий из одной фракции, или смешанный, состоящий из различных фракций в требуемых соотношениях. Зерна должны быть однородны по качеству и приближаться по форме к кубу. Содержание вытянутых и плоских щебенок (лещадок) должно быть не более 15% в заполнителях для бетона и не более 35% - в щебне для других целей. Однако по соглашению сторон разрешается производство щебня с более высоким содержанием пластинчатых зерен. Таблица 2. Марки щебня по дробимости при сжатии в цилиндре

Марка	Дробимость при испытании, %
	Осадочные породы		Изверженные метаморфические породы
	сухие	насыщенные водой	интрузивные	эффузивные
1200	до 6	до 9	до 16	до 9
1000	от 7 до 8	10-11	17-20	10-11
800	9-10	12-14	21-35	10-11
600	11-14	15-18	26-34	-
400	15-24	19-28	-	-
300	25-28	29-38	-	-
200	29-35	39-54	-	-

Гравий - это обломки горных пород с крупностью зерен 5-10 мм. Он находится на дне рек, морей, озер, применяется для тех же целей, что и щебень, и к нему предъявляются такие же требования. В природе часто встречаются месторождения песчаногравийных смесей. Такие смеси перед употреблением разделяют на песок и гравий. Прочность гравия определяется испытанием на дробимость в цилиндре. Для этого пробу гравия одной фракции установленным усилием сдавливают в цилиндре и затем просеивают через сито с размерами отверстия, соответствующими наименьшему размеру зерен в исходной пробе. По количеству прошедших через сито зерен судят о прочности гравия. Для классификации по морозостойкости щебень и гравий подвергают попеременному замораживанию и оттаивании (от 15 до 300 циклов). Определение морозостойкости щебня и гравия предусматривает оценку ее по потере в массе стандартных фракций. Показателем морозостойкости считают число циклов, при которых потери испытываемой пробы в массе не превышают 10% (при числе циклов до 25 включительно) или 5% (при числе циклов 50 и более). Потери пробы в массе вычисляют по разности массы исходной пробы и материала, оставшегося на сите с отверстиями размером, равным нижнему пределу фракций при просеве ее после испытания. Пылевидные и глинистые частицы, загрязняющие крупный заполнитель, могут быть различного происхождения. Источниками образования пылевидных частиц являются неполностью удаленные породы вскрытия (песок, супесь, почвенный слой, мелкие фракции дробления пород в щебень, а источниками образования глинистых примесей - глины и суглинки как в диспергированном, так и в агрегатном состоянии). Допустимое суммарное содержание пылевидных и глинистых частиц не должно превышать значений, приведенных в табл. 3.  Таблица 3. Допустимое содержание пылевидных .и глинистых частиц в крупном заполнителе, %

Породы	Крупный заполнитель марок
	от 600 до 1200	от 200 до 400
Осадочные	2	3
Изверженные и метаморфические	1	-

Содержание глины в комках допускается в щебне на более 0,25 количество входит в общее содержание пылевидных и глинистых примесей Бутовый камень - крупные куски камня размером в поперечнике 150-500мм и массой 20-40 кг, получаёмые при разработке  взрывным способом извержением осадочных и видоизмененных пород. Различают бутовый камень рваный, постелистый и плитняковый. Бутовый камень должен быть однородным, без следов выветривания расслоения и трещин, без рыхлых и глинистых примесей. Предел прочности при сжатии породы должен быть не меньше 10 МПа (100 кгс/см2), коэффициент размягчения не ниже 0.75, морозостойкость не ниже 15 циклов. Применяют бутовый камень для возведения фундаментов и стен подземных частей зданий, для стен нежилых, вспомогательных и производственных помещении промышленного и сельскохозяйственного назначения. При бетонировании массивных малоармированных конструкций бутовый камень вводят в конструкцию для экономии бетона. Крупные обломки (более 300 мм) горных пород ледникового происхождения, характеризующиеся окатанной поверхностью, называют валунным  камнем, который можно использовать как бутовый камень или для получения щебня

56, 57

Основные требования к качеству цементов следующие:

1. Тонкость помола:

– по удельной поверхности оптимальная величина составляет 350-380 м2/кг;  – по остатку на сите 009 – не выше 5%.

Это ведет к исключению водоотделения в бетонных смесях, к исключению трудовых затрат на доводку верхней поверхности изделий; к повышению прочностных показателей в верхней зоне железобетонных конструкций.

2. Сроки схватывания цемента для стройиндустрии и монолитного строительства должны соответствовать:

– начало схватывания – в пределах 2,5-З ч.;  – конец схватывания – 3,5-4,5 ч.

Вышеуказанное обеспечит получение заданной прочности в требуемые сроки.

3. Нормальная густота цементного теста (водопотребность) должна быть в пределах 25-26,5%, что исключает водоотделение в бетонных смесях и повышает прочностные показатели.

4. Выполнение требований СНиП 2.03.11-85 по допустимому содержанию в цементе щелочи. Оно не должно превышать 0,6%, что исключает трещинообразование и высолообразование в бетонных конструкциях. Как показала практика, возможно содержание R2O в пределах 07-072% (ф. Лафарж).

5. Хранение разных видов цементов – раздельное, что обеспечивает стабильность качества бетонных и растворных смесей.

Большое значение в проведении работ по улучшению качества цемента имеет то, что ГУП «НИИМосстрой» является постоянным участником международных конгрессов производителей цемента, где мы встречаемся с директорами всех цементных заводов, предоставляем анализ влияния качества цементов на бетонные конструкции, то есть оказываем влияние на улучшение качественных характеристик цементов.

ЦЕМЕНТ. Цемент (в переводе с латинского «битый камень») - oдин из основных строительных материалов; гидравлическое минеральное вяжущее, приобретающее при затвердевании высокую прочность. Цемент получается при нагревании извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Существует множество видов цемента: Портландцемент, Белый цемент, Быстротвердеющий цемент, Водонепроницаемый цемент, Тампонажный цемент и т.д. Мы же остановимся на основном виде цемента - Портландцемент. Портландцемент (англ. Portland cement) - вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах. Название получил по имени острова Портленд (Portland) в Англии, так как по цвету похож на добываемый на нём камень. Основой портландцемента является силикат кальция, также известный как портландит. Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер - продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определенного состава.

ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА. Самые распространенные методы производства портландцемента так называемые «сухой» и «мокрый». Все зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь - в виде водных растворов или в виде сухих смесей. При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку составляет на 30-40 % больше чем при сухом способе.

ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТА. По прочности цемент делится на марки, которые определяются главным образом пределом прочности при сжатии. Марки выражаются в числах 100-600 (как правило с шагом 100) обозначающим прочность при сжатии соответственно в 10-60 МПа. Цемент с маркой 600 благодаря своей прочности называется «Военным» и стоит заметно больше марки 500. Применяется для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и т. д.

МАРКИ ЦЕМЕНТА. По составу различают: портландцемент без добавок; портландцемент с минеральными добавками; шлакопортландцемент и другие. Наиболее распространенные марки цемента: Цемент ПЦ500Д0 (М500 Д0) Цемент ПЦ400Д20 (М400 Д20) Цемент ПЦ500Д20 (М500 Д20) Цемент ПЦ400Д0 (М400 Д0)

КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТА: Цемент ПЦ500Д0 (ЦЕМ I 42.5Б) Цемент ПЦ400Д20 (ЦЕМ II/А-Ш 32.5Б) Цемент ШПЦ400 (ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н) ГОСТЫ ЦЕМЕНТА: ГОСТ 10178-85 (скачать) Цемент, как и любой другой материал, применяемый в строительстве, различается по своим физико-техническим характеристикам в зависимости от того, в каких условиях предполагается его эксплуатация. Согласно ГОСТ 10178-85 условное обозначение цемента должно состоять из: - наименования типа цемента - портландцемент, шлакопортландцемент. Допускается применять сокращенное обозначение наименования - соответственно ПЦ и ШПЦ; - марки цемента; - обозначения максимального содержания добавок в портландцементе: Д0, Д5, Д20; - обозначения быстротвердеющего цемента - Б; - обозначения пластификации и гидрофобизации цемента - ПЛ ,ГФ; - обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава - Н; - обозначения стандарта, которому соответствует цемент.

58