ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

(товщиною не більш 1 мм). Для запобігання поглинання порами зразка вологи його швидко занурюють до розплавленого парафіну при температурі (80 ± 5) °С. Утворені на поверхні парафінової плівки пухирці вилучають гарячою голкою. Зразок обв’язують тонкою ниткоюі зважуютьна повітрі(m1) тагідростатичнихтерезах у воді(m2).

Середню густину пористого зразка визначають за формулою

де m – маса сухого зразка, г;

m1 – маса зразка, покритого парафіном, на повітрі, г; m2 – маса зразка, покритого парафіном, у воді, г; ρв – істинна густина води, г/см3;

ρпар – істинна густина парафіну приймається рівною 0,93 г/см3

(930 кг/м3).

Кількість зразків для випробування – п’ять, точність результатів 0,02 г/см3 .

Насипна густина пухкого матеріалу (ρн) – маса одиниці об’єму пухкого матеріалу з порами та порожнинами між ними.

Для визначення насипної густини використовують стандартну посудину певного об’єму (табл. 2.3) залежно від крупності зерен пухкого матеріалу.

Таблиця 2.3

Об’єми стандартних мірних посудин для визначення насипної щільності пухких матеріалів різної крупності

Висушений до постійної маси пухкий матеріал (пісок, щебінь, гравій) насипають з висоти 10 см до мірної посудини, яку попередньо зважують (m), до утворення конусу (рис. 2.4). Конус знімають стале-

31

вою лінійкою урівень з краями посудини без ущільнення, після чого посудину з матеріалом зважують (m1) і визначають насипну густину з точністюдо0,01 г/см3 яксереднє значення здвох випробувань

де m – маса мірної посудини, г;

m1 – маса мірної посудини з пухким матеріалом, г; V – об’єм мірної посудини, см3.

При визначенні насипної густини піску використовують стандартну воронку, в якій встановлено сито з круглими отворами діаметром 5 мм.

Рис. 2.4. Воронка для визначення насипної щільності піску: 1 – воронка з піском ; 2 – сито з отворами 5 мм;

3 – затвор; 4 – мірна посудина ємністю 1 л

Випробування насипної густини пухкого матеріалу здійснюють два рази, для чого кожного разу беруть нову порцію матеріалу. Обробкурезультатів випробування виконують якупопередньому випадку.

Визначення пористості гірської породи.

Пористість гірської породи характеризується вмістом пор в матеріалі у відсотках

де ρм – середня густина матеріалу, г/см3; ρ – істинна густина матеріалу, г/см3.

32

Пористість дає уявлення про сумарну кількість пор у гірській породі, але не характеризує розташування, діаметр, характер (відкриті або закриті) пор. При порівнянні показників пористості та водонасичення за об’ємом можливо приблизно оцінювати відкриту пористість гірської породи.

Таблиця 2.4

Показники фізичних властивостей гірських порід

Від показника пористості в значній мірі залежать властивості кам’яного матеріалу. Більш пористий матеріал однієї і тієї ж групи гірських порід має меншу міцність і довговічність у водонасиченному стані, гірше полірується, але має кращі теплозахисні та звукоізоляційні властивості. Показники істинної і середньої густини та пористості матеріалів використовують для деяких інженерних розрахунків: визначення маси елементів споруд, розрахунків обсягів транспортних перевезень, розрахунків складів для зберігання матеріалів (табл. 2.4).

Вологісні властивості гірських порід

Вологість (W,%) – кількість води, яка утримується в порах гірської породи. Вологість матеріалу визначають за масою або об’ємом у відсотках. Вологість матеріалу залежить від погоднокліматичних умов зберігання матеріалу, його пористості та характеру поверхні. Для визначення вологості матеріалу зразки масою близько 100 г зважують (mв) з точністю до 0,01 г і висушують до постійної маси в сушильній шафі при температурі 105–110°С.

Висушені зразки охолоджують в ексикаторі і зважують (mс). Вологість за масою та об’ємом (абсолютну) визначають з точністю

33

до 0,1 % як середній арифметичний показник із результатів двох випробувань за формулами (2.8) та (2.9):

де Vс – об’єм сухого зразку, см3.

Величину Vс визначають за формулою (2.4).

Водовбирання (Wвб,%) – здатність гірської породи вбирати воду при тривалому витримуванні у воді при нормальному атмосферному тиску і температурі 20 ± 2 °С. Для визначення величини водовбирання гірської породи зразки з цієї породи висушують, очищують від пилу і зважують (mс) з точністю до 0,01 г. Потім зразки складають на решітку у посудині з водою при температурі (20 ± 2)°С таким чином, щоб шар води над зразками був не менш 2 см, і утримують у воді протягом 48 годин. Після цього кожний зразок витирають вологою м’якою тканиною і зважують (mв). Масу води, яка витікає із пор зразків на чашку терезів, необхідно включати до маси зразка. Водовбирання за масою та об’ємом визначають відповідно за формулами (2.10) або (2.11) як середнє арифметичне значення із результатів п’яти випробувань з точністю до 0,01 %

34

Водонасичення (Wвн) – здатність породи вбирати воду в умовах підвищеного тиску або вакууму. В таких умовах із пор породи вилучається повітря і вони максимально заповнюються водою, тому показник водонасичення гірської породи більше показника її вологості та водовбирання.

При визначенні водонасичення гірської породи зразки породи також, як і при визначенні її водовбирання, висушують, зважують (mс), поміщують до посудини вакуум-апарату (рис. 2.5) і заливають дистильованою водою. Рівень шару води над зразками має бути не менш 2 см. Посудину щільно закривають кришкою, вмикають вакуум-нанос, доводять розрідження до 2,7 кПа і утримують його протягом 3 годин. Коли бульбашки повітря з поверхні зразків перестають виходити, це значить, що процес водонасичення закінчився. Після 3 годин утримування вакууму вимикають вакуумнасос, а зразки залишають у воді ще на 2 години при нормальному атмосферному тиску. Після цього зразки виймають, витирають м’якою вологою тканиною і зважують на повітрі (mз).

Рис. 2.5. Вакуум-установка: 1 – мотор; 2 – вакуум-насос; 3 – вакуум-провід; 4 – вакуумметр; 5 – ексикатори з водою та зразками

Визначають водонасичення по масі за формулою (2.12)

mс

де mс –маса сухого зразка, г;

mв – маса зразка після водонасичення, г.

35

Величина водонасичення за об’ємом

де Vc – об’єм зразка у сухому стані, см3.

Водонасичення за масою та об’ємом визначають як середнє арифметичне значення за результатами випробування п’яти зразків з точністю 0,01 %.

Водонасичення гірських порід «дуже велике», якщо воно перевищує 8 %; «велике» – у межах 3–8 %; «середнє» – 1,5–3,0 %; «невелике» – 0,5–1,5 %, «надто мале» – менш 0,5 %.

Визначення морозостійкості гірських порід Морозостійкість – здатність гірської породи у вологому стані

витримувати багаторазове заморожування та відтавання без помітного руйнування та зниження міцності. Морозостійкість гірської породи залежить, насамперед, від розміру і характеру пор, ступеня заповнення пор водою та швидкості заморожування породи. Швидке зниження температури викликає найбільш інтенсивне руйнування гірської породи, а при повільному заморожуванні із великих пор лід може витискуватись на поверхню, не утворюючи тиску на стінки пор. При заповнюванні пор гірської породи водою менш ніж на 80% при заморожуванні породи вода розширюється у вільний простір і не приводить до руйнування породи. Це дозволяє дати попередню оцінку морозостійкості породи за коефіцієнтом водонасичення

Wвн

де Wвб – водовбирання, %; Wвн – водонасичення, %.

При значенні Квн менше 0,8 гірську породу можна вважати морозостійкою.

Для гірських порід з показниками водонасичення менш 1 % дослідження морозостійкості здійснювати не обов’язково, за ви-

36

нятком використання їх у відповідальних спорудах, які працюють у суворих кліматичних умовах.

Морозостійкість гірської породи визначають безпосередньо прямим заморожуванням, а також прискореним непрямим методом з допомогою розчину сірчанокислого натрію.

Визначення морозостійкості гірської породи прямим заморожуванням

Для визначення морозостійкості гірської породи прямим заморожуванням готують три – п’ять зразків правильної геометричної форми (куб або циліндр), висушують їх і зважують. Потім зразки утримують у воді протягом 48 годин, розміщують у холодильній камері і знижують температуру в камері до мінус 17–25 °С. Тривалість заморожування зразків має складати 4 години. Після цього зразки розміщують у ванні з проточною водою при температурі (20 ± 5)°С і утримують до повного відтавання, але не менш 2 годин. Дані цикли випробувань повторюють. Після 15, 25 і кожних наступних 25 циклів заморожування та відтавання кожний зразок розглядають і відмічають ознаки руйнування (тріщини, викришування кутів, граней, відшаровування поверхні). Кожний зразок висушують до постійної маси, зважують і визначають втрату маси

де m – початкова маса сухого зразка, г;

m1 – маса сухого зразка після відповідної кількості циклів заморожування та відтавання, г.

Витрату маси при визначенні морозостійкості розраховують як середнє арифметичне значення із трьох визначень для однорідних або із п’яти – для неоднорідних гірських порід з точністю 0,1 %. Якщо витрата маси менш зазначеної у табл. 2.5, тоді випробування необхідно продовжити протягом наступних 25 циклів.

Якщо втрата маси зразків перебільшує допустиму межу, тоді випробування необхідно припинити, а за показник морозостійкості гірської породи прийняти попередню кількість циклів заморожування та відтавання, при якій втрата маси не перебільшує допустимої величини.

37

Втрату міцності гірської породи після випробувань на морозостійкість при завданій кількості циклів випробувань характеризують коефіцієнтом морозостійкості – відношенням межі міцності при стиску (або при розколюванні для зразків неправильної геометричної форми) після і до проведення випробувань на морозостійкість.

Таблиця 2.5

Марки гірських порід за морозостійкістю

Визначення морозостійкості гірської породи прискореним методом у розчині сірчанокислого натрію

Цей спосіб складається з багаторазового насичення зразка породи розчином сірчанокислого натрію з висушуванням зразків після насичення. Розчин сірчанокислого натрію проникає до пор та мікротріщин породи, а при висушуванні зразка кристалізується у них. При висушуванні зразків кристали сірчанокислого натрію зростають і чинять тиск на стінки пор, що призводить до руйнування породи.

Розчин сірчанокислого натрію готують при послідовному розчиненні в 1 л підігрітої дистильованої води 250–300 г сірчанокислого натрію або 700–1000 г гідрату сірчанокислого натрію до

38

насичення розчину, про що свідчить поява перших кристалів. Потім розчин охолоджують до кімнатної температури, переливають до скляної посудини і витримують протягом 2 діб.

Підготовлені та зважені сухі зразки породи занурюють до розчину сірчанокислого натрію і витримують у ньому протягом 20 годин при кімнатній температурі. Потім зразки виймають з розчину, оглядають і висушують при температурі 105–110 °С протягом 4 год. Після цього зразки охолоджують і знов занурюють до розчину сірчанокислого натрію на 4 години, а потім поміщують до сушильної шафи на 4 години. Після 3, 5, 10 та 15 циклів поперемінного витримування у розчині та висушування зразки промивають гарячою водою для вилучення сірчанокислого натрію, висушують до постійної маси і визначають втрату по масі за формулою (2.15). Марку гірської породи по морозостійкості визначають за табл. 2.5 по середньоарифметичному результату випробувань п’яти зразків.

2.4. Механічні властивості гірських порід та природних кам’яних матеріалів

Механічні властивості гірських порід та природних кам’яних матеріалів – це властивості, що характеризують їх здатність чинити опір усім видам зовнішніх впливів, які пов’язані з прикладанням сили.

Залежно від умов праці в інженерних спорудах кам’яні матеріали можуть сприймати дію як статичних, так і динамічних навантажень. Внаслідок цього матеріал може піддаватись дії стиску, розтягу, вигину, зрізу, кручення, що обумовлює характер його деформування й руйнування. Для характеристики механічних властивостей гірських порід визначають межу їх міцності при різних видах напруженого стану.

Визначення межи міцності при стиску

Найбільш розповсюдженими та важливими показниками механічних властивостей природних кам’яних матеріалів і гірських порід є міцність, пружність, в’язкість, твердість, пластичність та ін.

39

Міцність – це здатність матеріалу чинити опір деформуванню й руйнуванню під впливом внутрішніх напружень, які виникають при дії зовнішніх сил або при зміні фізичного стану.

З проби гірської породи (моноліт або керн) за допомогою бурового або каменерізного верстату виготовляють п’ять зразків у вигляді циліндра діаметром та висотою 40–50 мм або кубу з ребрами 40–50 мм. Торці зразка слід обробити на шліфувальному верстаті і при цьому забезпечити паралельність граней.

Зразки із шаруватих гірських порід необхідно готувати таким чином, щоб вісь зразка при випробуванні на стиск була перпендикулярною до напрямку шаруватості породи.

Показник міцності гірської породи залежить від форми та розміру зразка. Зі збільшенням розміру зразка показники міцності зменшуються. Зміна умов випробувань (зниження або підвищення швидкості випробування, зволожування або висушування, охолодження або нагрівання зразка) також призводить до зміни показників міцності. Тому умови приготування зразків та їх випробування нормуються нормативними документами.

Природні кам’яні матеріали поділяють на такі марки за межою міцності на стиск: легкі (ρm < 1800 кг/м3) – 0,4; 0,7; 1; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10,0; 12,5; 15; 20 МПа і важкі (ρm > 1800 кг/м3) – 10; 12,5; 15; 20; 30; 40; 50; 50; 60; 70; 80; 100; 120; 140 МПа.

Визначення міцності природних кам’яних матеріалів та гірських порід при стиску

Гірські породи та природні кам’яні матеріали, які одержують з них, здатні чинити значний опір дії напружень стиску, що дає можливість широко використовувати їх у конструкціях, які підлягають дії стиску. Межа міцності при стиску (напруження, які виникають в момент руйнування зразка) (рис. 2.6)

де Р – руйнівне зусилля, Н (кгс);

S – площа поперечного перерізу зразка, м2 (cм2).

40