книги из ГПНТБ / Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник

Три последние графы табл. 5 служат для вычисления дисперсии „ ' 512 200 ■10і°

= 19 000 • ІО10.

27

Среднее квадратичное отклонение (стандарт)

° = УГ19 000 • ІО10 = 137 ■ ІО5.

На основании вычислений можно сделать выводы; средняя прочность гранитного камня для данного месторождения состав­ ляет 1120-ІО5 н/м2; распределение прочности характеризуется раз­ бросом ± 137 • ІО5 н/м2; изменчивость прочностных свойств камня составляет 12,2%.

Приведенные данные относятся к повторной выборке. Если же учесть возможные значения прочности образцов материала при неограниченно большом количестве испытаний (так называемая генеральная совокупность), то, согласно теории вероятностей, зна­ чение прочности X с вероятностью 0,997 будет лежать в пределах

X — 35 < X < X + ЗВ, или

1120 — 3 . 137ІО5 < * < 1120 + 3 . 137105 =

= 709ІО5 < * < 1531 • 10s.

Примером применения статистических методов может служить методика определения коэффициента однородности строительного материала.

Коэффициент однородности

где ^min — наименьшее статистически вероятное значение проч­ ности материала, н/м2, которое может появляться в ис­ следуемой совокупности;

R — среднее значение прочности, определяемое по данным этой же совокупности, н!м2.

При испытании бетона методика определения указанного коэф­ фициента несколько усложнена, так как при этом учитывается асимметрия распределения прочности, которая объясняется тем, что на опыте, как правило, количество испытанных образцов, имеющих прочность ниже средней, отличается от количества образ­ цов, имеющих прочность большую, чем средняя.

Значение коэффициента однородности состоит в том, что он позволяет количественно оценить однородность прочностных свойств материала (например, связанную с ней однородность струк­ туры материала), а также является важной расчетной величиной, характеризующей материал в принятых в настоящее время мето­ дах расчета строительных конструкций. Значения коэффициента однородности для некоторых материалов, при которых их можно не показывать в конструкциях, приведены в нормативных доку­ ментах.

§ 6. Понятие о надежности

Примером применения статистических методов в расчете и конст­ руировании строительных изделий может служить расчет надеж­ ности.

Этот расчет дает возможность проектировать несущие конст­ рукции инженерных сооружений без излишних запасов прочности и, таким образом, экономить строительные материалы, расходуе­ мые в результате неточности существующих методов расчета.

Под надежностью строительных изделий и конструкций из них понимается в данном случае их способность безотказно выполнять заданные эксплуатационные функции. Таким образом, надежной является такая конструкция (изделие), которая в заданный про­ межуток времени не может превысить ни одного из предельных состояний.

Это условие надежности можно записать в виде

Ф= Фі-- ^2 > О,

где зфі— несущая способность конструкции; фг — внешнее воздействие.

Решение, удовлетворяющее указанному условию, можно полу­ чить, рассматривая непосредственно соотношение законов распре­ деления величин фі и Ф2-

Тогда показатель надежности

H = l — Fè (у),

где Я — показатель надежности;

F (у) — функция распределения случайной величины ф. Следовательно, вычисление показателя надежности сводится к

определению функции .распределения случайной величины ф, яв­ ляющейся сложной функцией большой системы случайных ве­ личин.

Для получения этой функции распределения необходимо знать статистические закономерности элементарных факторов, состав­ ляющих итоговую функцию ф. Далее на основании теорем теории вероятностей, зная теоретические законы распределения эле­ ментарных факторов, получают функцию распределения вели­ чины ф.

ПРИРОДНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

§ 7. Общие сведения

Природные строительные материалы являются нерудными иско­

паемыми. Нерудная промышленность страны занимает одно из основных мест в строительной индустрии.

Потребность в нерудных строительных материалах в настоя­ щее время составляет более 500 млн. м3 в год, что по весу равно около 1 млрд. т. В ближайшие годы мощность производства неруд­ ных материалов значительно увеличится.

Советский Союз обладает неисчислимыми богатствами различ­ ных каменных нерудных материалов. Особенно славятся своими природными минеральными богатствами Урал, Украина, Кавказ, Молдавия, Карелия, Камчатка, Кольский полуостров, Азербайджан и др.

Широкой известностью пользуются горные породы Украинско­ го кристаллического массива, простирающегося на 900 км с севе­ ро-запада (бассейн р. Припять) на юго-восток Украины до Азов­ ского моря и занимающего площадь более 200 000 км2. В этом массиве находятся богатейшие месторождения лучших каменных пород мира: гранитов, габбро, лабрадоритов, порфиритов, кварци­ тов и др.

Большая часть природных строительных материалов долговеч­ на, атмосфероустойчива и имеет красивый внешний вид. Однако некоторые из них обладают свойствами, ограничивающими их применение: большой твердостью, затрудняющей изготовление из них штучных изделий, высокой объемной массой, а отсюда и высо­ ким коэффициентом теплопроводности. Но такие породы обладают большой прочностью и широко применяются в качестве облицов­ ки, бута, щебня для бетонов и др. Огромное значение для строи­ тельства имеют рыхлые отложения (гравий, песок), являющиеся дешевыми природными заполнителями для бетонов и растворов, а

шлаки Армянской ССР, Грузинской ССР, Прикарпатья, Закар­ патья и Камчатки; пильные известняки и ракушечники Крыма, Николаевской, Херсонской, Винницкой областей, Молдавской ССР, Тернопольской области и др.: опоки Приднестровья, Ворошиловградской области и др. Некоторые пильные разновидности горных пород, например туфа, известняка сочетают свойства хорошего сте­ нового и облицовочного материала. Фасады зданий из этих мате­ риалов имеют красивый внешний вид и не требуют офактуривания.

Применение легких природных каменных материалов эконо­ мичнее искусственных, так как для их изготовления не требуется расходовать топливо, а капитальные затраты на организацию карьерного хозяйства в несколько раз меньше затрат на строи­ тельство кирпичных заводов и домостроительных комбинатов. На­ пример, 1 м2 стены толщиной в два обычных кирпича (510 мм) весит около 900 кг; стена из ракушечника при равных тепло­ физических показателях будет иметь толщину 400 мм и вес около 600 кг.

Развитие заводского домостроения требует огромного количе­ ства пористых заполнителей для легких бетонов, растворов. Такие заполнители могут быть получены из отходов при вырезке изделий из вулканических туфов, опоки, пемзы, вулканических шлаков.

Однако естественные легкие породы, несмотря на наличие круп­ ных месторождений в некоторых районах, сравнительно мало используются. Поэтому огромное значение имеет развитие добычи вспучивающихся горных пород как сырья для получения легких искусственных заполнителей (перлита, вермикулита, вспучиваю­ щихся глии).

Нерудная промышленность является также поставщиком ми­ нерального сырья для ведущих отраслей строительной индустрии: известняков — для изготовления извести; доломитов, кварцитов — для металлургической промышленности; известняковых пород, глины, мергелей, трепела и диатомита — для цементных заводов; песков — для стекольных и силикатных заводов; глины — для ке­ рамических и огнеупорных заводов; гипсового камня — для произ­ водства гипса; асбеста— для изготовления асбестоцемента и др.

В нерудной промышленности имеется огромное количество ма­ лоиспользуемых отходов, загромождающих карьеры и удорожаю­ щих стоимость основной продукции: карьерная мелочь после обо­ гащения щебней кристаллических пород, отходы известняковой мелочи тяжелых известняков и известняков-ракушечников, квар­ цевые отходы каолинового производства, отходы при добыче и обогащении асбеста, отходы при добыче туфов, опок, магнезита и доломита, диабаза и базальта и др.

Минеральные нерудные отходы и сопутствующие породы при добыче руд могут быть переработаны на товарную продукцию, не­ обходимую для строительной индустрии при небольших удельных капиталовложениях (тяжелые и легкие щебни для бетона, балласт для железнодорожных путей, искусственные пески, наполнители, сырье для получения вяжущих, сырье для каменнолитейной про­ мышленности, удобрения и др.). На основе отходов при добыче туфов, ракушечника, опок можно изготовлять эффективные искус­ ственные камни, крупные блоки и панели.

Развивающаяся промышленность нерудных строительных мате­ риалов в последнее время оснащается новейшим оборудованием. Советские конструкторы создали высокопроизводительные машины для добычи и обработки камня различных пород. Разработаны специальный твердый сплав для заправки камнеобрабатывающих

инструментов и искусственные алмазы, применение которых повы­ шает производительность труда при обработке камня.

Для широкого развития промышленности нерудных материалов карьеры обеспечиваются современным буровым, экскаваторным, режущим, дробильно-сортировочным и транспортным оборудова­ нием, организуется серийное изготовление сортировочных устано­ вок, классификаторов и др.

Наряду с применением твердосплавных и алмазных инструмен­ тов совершенствуются методы резания твердых каменных пород струями воды и раскаленных газов, выброса взрывом пород круп­ ными объемами и др.

Для повышения долговечности каменных сооружений и сохра­ нения цвета светлых каменных пористых пород поверхности по­ крывают специальными химическими средствами.

§ 8. Классификация горных пород

Земная кора состоит из большого количества минеральных горных пород.

Минералом называют природное химическое соединение, обра­ зующееся в результате различных физико-химических процессов, совершающихся в земной коре. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом и физическими свойствами: блеском, цветом, твердостью, спайностью, характером излома, плотностью и др.

Породы, состоящие из одного минерала, называют мономине­ ральными (например, кварцит). Породы, представленные несколь­ кими минералами, называют полиминеральными (например, гранит, состоящий из кварца, полевого шпата, слюды и других минера­ лов).

Образовались горные породы в результате разнообразных гео­ логических процессов, протекавших при различных физико-хими­ ческих условиях. В зависимости от условий образования их делят на три генетические группы:

1. Первичные — изверженные (магматические), образовавшие­ ся из расплавленной силикатной массы (магмы) на некоторой глу­ бине (породы глубинные, или интрузивные) или при излиянии ее на поверхность в виде лавы (породы излившиеся, или эффузивные).

К глубинным (интрузивным) породам относят гранит, диорит, сиенит, габбро, лабрадорит; к излившимся (эффузивным) поро­

продукты разрушения ранее существовавших горных пород, отло­ жившихся в водных бассейнах или на поверхности суши, а также образовавшиеся из продуктов жизнедеятельности организмов.

К ним относят механические (обломочные) породы (глина, пе­ сок, гравий, валуны) и сцементированные (песчаники, конгломе­

рат, брекчия); химические и биохимические породы (гипс, ангид­ рит, известняк, известковый туф, мергель, магнезит, доломит, боксит); органогенные породы (известняк-ракушечник, мел, тре­ пел, диатомит, опока, уголь, торф, озокерит, нефть); эффузивно­ осадочные (вулканический пепел, песок, шлак, а также туф, трасс, туфовая лава).

3. Видоизмененные — метаморфические породы, представляю­ щие собой глубоко преобразованные осадочные, или магматические, породы.

К ним относят: гнейс, магматит, сланцы (тальковые, глинистые, менилитовые, горючие), мрамор, кварцит, асбест и др.

§ 9. Породообразующие минералы

Минералы, слагающие горные породы, называют породообразую­ щими. Минералов в природе насчитывается более 2000, пород около 1000. В образовании горных пород участвует свыше 50 наибо­ лее распространенных минералов.

В большинстве своем минералы горных пород являются кри­ сталлическими, реже аморфными; одни анизотропны, другие — изо­ тропны.

Основными породообразующими минералами горных пород являются: кварц, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные сили­ каты, углекислые и сернокислые соли. Составной частью многих минералов является химически связанная вода.

Кварц Si02 — минерал, входящий в состав изверженных, оса­ дочных и метаморфических пород. Важнейшие разновидности его

тигранных призм с шестигранными пирамидами у основания. При обычной температуре кварц не реагирует с основаниями и не вза­ имодействует с кислотами( кроме плавиковой). При высоких тем­ пературах кварц соединяется с основаниями, образуя силикаты, а при паротеплообработке — гидросиликаты. При нагревании до температуры 575° С кварц из модификации а переходит в модифи­

прочности его при сжатии достигает 10 000ІО5 нім2. При темпера­ туре 1710° С кварц плавится, образуя при быстром охлаждении аморфный кремнезем.

Разновидности кварца — я шм а , а г а т , х а л ц е д о н — исполь­ зуют для декоративных целей и в промышленности (ступки, под­ шипники, призмы и др.).

В земной коре кремнезем встречается также в виде твердых гидрогелей (Si02 • пН20) с аморфной структурой, называемых опалом. Панцири диатомей и скелеты радиолярий, слагающие оса­ дочные породы — диатомиты и трепелы— также состоят из аморф­ ного кремнезема.

Распространенными минералами, участвующими в образо­ вании горных строительных пород, являются полевые шпаты и слюды.

По своему химическому составу полевые шпаты представляют собой алюмосиликаты К, Na, Са. Характерная особенность полевых

Наиболее часто встречающиеся в породах разновидности поле­ вых шпатов — о р т о к л а з и п л а г и о к л а з . Ортоклаз пред­ ставляет собой алюмосиликат калия К2О • Al20 3-6Si02. Характер­ ным является то, что между двумя плоскостями спайности у него образуется прямой угол (прямораскалывающийся).

до красноватого. Полевые шпаты обладают малой атмосфероустой­ чивостью. При выветривании полевого шпата образуются глинис­ тые минералы, например, каолинит.

Предел прочности при сжатии полевых шпатов (1000-г- -ч—1800) ІО5 нім2. В чистом виде полевые шпаты применяют в каче­ стве плавней в производстве керамических материалов.

В природе встречается также свободный глинозем в виде ми­ нерала к о р у н д а А120 з. Это абразивный минерал, занимающий в шкале твердости девятое место, обладающий высокой огнеупор­ ностью. Встречается также глиноземистый минерал диаспор, пред­ ставляющий собой моногидрат глинозема НА102 или А120з • Н20.

Слюды по химическому составу представляют собой сложные водные алюмосиликаты. Встречается несколько разновидностей слюды, среди них наиболее распространены мусковит, или калие­ вая слюда, и биотит, или магнезиально-железистая слюда.

М у с к о в и т — слюда белого, серого цветов, в тонких спайных листах бесцветная, прозрачная, тугоплавкая, под действием кислот не разрушается, плотность (2,8 -н 3,1) 103 кг/мг.

Слюда расщепляется на тонкие гибкие пластинки.

В чистом виде слюду применяют как электроизоляционный ма­ териал, в качестве наполнителя для цветных штукатурок, для посыпки руберойда, в качестве огнестойкого стекла, а также при изготовлении теплоизоляционных материалов.

Наличие в каменных породах большого количества слюды сни­ жает их качество как строительных материалов. Пластинки слюды могут располагаться в породе в различных направлениях. Скопле­ ние их обусловливает иногда слоистость породы, снижая в таких случаях ее атмосферостойкость и возможность полировки.

Разновидность слюды — в е р м и к у л и т — входит в группу так называемых гидрослюд, являющихся продуктами гидротермаль­ ных природных изменений магнезиально-железистых слюд флого­ пита и биотита.

Структурно вермикулит состоит из минеральных слоев, связан­ ных между собой прослойками молекулярной воды.

Вермикулит под действием нагревания до температуры 850— 1100° С дегидратируется, слои его вспучиваются и объем увеличи­ вается в 15—40 раз; образуется легкая масса с золотистой, блестя­ щей поверхностью. Вспученный вермикулит является теплоизоля­ ционным и звукопоглощающим материалом.

Месторождения вермикулита имеются в СССР на Кольском полуострове, в Приазовье, на Урале, в Побужье и др.

Железисто-магнезиальные минералы имеют темную окраску и носят название темноокрашенных. Среди них распространенными породообразующими минералами являются пироксены, амфиболы,

тами кальция, магния, железа. Плотность этих материалов (3,(Н- -т-3,6) ІО3 кг/м3, твердость 4—5. Они обладают высокой прочностью, повышенной вязкостью. Наличие их в породе (за счет уменьшения содержания полевых шпатов) повышает объемную массу, проч­ ность, атмосферостойкость и т. д.

Оливин по химическому составу представляет собой силикат железа и магния; плотность его (3, 2-^-3,5) ІО3 кг/м3, твердость 7.

К главным минералам осадочных горных пород относят каль­ цит, магнезит, доломит, гипс, ангидрит. Эти породы служат в основном сырьем для производства вяжущих.

В состав осадочных пород входят также глинистые минералы —

каолинит, монтмориллонит и др.

Кальцит СаС03 (известковый шпат) — один из наиболее рас­ пространенных материалов земной коры, образует крупно-, сред­ не- и мелкозернистые породы, плотность его 2,7'103 кг/м3, твер­ дость 3. В воде растворяется незначительно (0,03 г/л), бурно реагирует с НС1. Под действием воды, содержащей С02, кальцит переходит в форму кислого углекислого кальция Са(НС03)2, при­ обретая способность к повышенной растворимости в воде.

Магнезит MgCC>3 отличается от кальцита большей твердостью, меньшей растворимостью, плотность его (2,9 -в- 3,1) ІО3 кг/м3.

Доломит встречается в природе в виде двойной углекислой соли (СаСОз, MgC03), входящей в состав доломитовой породы.

Гипс CaS0 4 • 2Н20 содержит в своем составе кристаллизацион­ ную воду, способную выделяться при нагревании с образованием полуводного или безводного гипса; образует мономинеральные по­ роды мелкозернистого строения, обладает повышенной раствори­ мостью (2,05 г/л).

Цвет гипса преимущественно белый, иногда серый, краснова­ тый, желтоватый и черный.

Ангидрит CaSO,i — безводная разновидность гипса. Под влия­ нием воды ангидрит способен перейти в гипс с незначительным увеличением объема.

основном в состав некоторых разновидностей глин, например, бен­ тонитовых, обладающих высокой адсорбционной способностью.

В качестве второстепенных минералов в горных породах встре­ чаются пирит, или серный колчедан FeS2, апатит, или кальциевая соль фосфорной кислоты, и др.

§ 10. Горные строительные породы н сырье для искусственных материалов

Породы различных генетических групп, применяемые в строитель­ стве, по своему физическому состоянию делят на плотные тяжелые, плотные легкие и рыхлые.

Плотные породы по виду и характеру поверхности могут быть

обычными и декоративными.

По степени кристалличности (наличия кристаллических эле­ ментов и относительного количества стекла) различают полно­ кристаллические, полукристаллические и стекловатые структуры

горных пород. По величине составных частей структуры породы бывают равномерно и неравномерно зернистые.

По характеру расположения составных частей определяют текстуру горных пород (массивная, пористая, слоисто-сланцевая и

ДР-)- Прочность и другие свойства каменных материалов зависят от

плотности породы, характера структуры, степени кристалличности

920 дж/кг ■град, теплопроводность зависит в основном от их плот­ ности. Теплопроводность плотных тяжелых материалов достигает 2,9—3,5 вт/м ■град, пористых и ячеистых — 0,23—0,7 вт/м • град. Температура плавления каменных материалов зависит от их со­

к полированию являются весьма важными его технико-экономиче­ скими показателями, определяющими область его применения.

Коэффициент линейного расширения природных каменных ма­ териалов для плотных пород находится в пределах 0,00001—0,0009,

внутренний слой земного шара, находясь под большим давлением слоев литосферы, при уменьшении внешнего давления и увеличе­ нии внутреннего изливалась в верхние слои земного шара и за­ стывала, образуя горные породы.

В зависимости от содержания кремнезема изверженные горные породы делят на кислые (более 65% Si02), средние (65—55% SiÖ2) и основные (менее 55% Si02).

Глубинные (интрузивные) горные породы образовались при остывании магмы на большой глубине под слоем верхних пород в условиях высокой температуры и давления. Для них характерны полнокристаллические структуры, где отдельные слагающие их минералы различимы невооруженным глазом, и массивные тек­ стуры.

Главнейшими глубинными строительными горными породами являются: гранит, сиенит, габбро, лабрадорит, диорит.

Из числа глубинных пород наиболее распространен гранит. Гра­ нит по содержанию кремнезема — кислая порода, в его состав входят в основном три минерала: кварц, полевой шпат и слюда.

Содержание основных минералов в гранитах (проц.): кварца 25—30, полевого шпата 60—70, слюды 5—10. В граните содержат­