02 Сен 13 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЛОЧНОЙ ПРОДУКЦИИ

Для оценки качества горных пород, используемых для производ­ства блоков, и самих блоков проводят в процессе разведки месторож­дений и их разработки ряд испытаний, перечень которых приведен в табл. 6.13.

Испытания физико-механических свойств облицовочного камня производятся на специально подготовленных образцах, а отдельные характеристики качества устанавливаются по самим блокам. К об­разцам предъявляется ряд требований.

Взвешивание образцов горной породы выполняется с погреш­ностью до 0,1%, а их высушивание проводят в сушильных шкафах при температуре сушки 105—110° С. Масса образца считается постоянной в том случае, если разница между двумя последующими взвешиваниями после высушивания не будет превышать 0,2% массы образца. При этом продолжительность перерыва между двумя указанными взвешиваниями образца должна быть не менее 3 ч. Линейные размеры испытываемых прямоугольнопараллелепипедных образцов определяются с погрешностью ± 1 мм при помощи штан­генциркуля. Значение линейного размера вычисляется как среднее арифметическое значение результатов не менее двух измерений. Размер диаметра образца цилиндрической формы (керна) вычисляют как среднее арифметическое результатов четырех измерений двух взаимноперпендикулярных диаметров на каждой параллельной плос­кости цилиндра. При цилиндрической форме образца высоту цилин­дра вычисляют как среднее арифметическое результатов измерений четырех образующих цилиндра, расположенных в четвертях его окружности, в образцах прямоугольнопараллелепипедных форм как среднее арифметическое результатов измерений четырех вертикаль­ных ребер.

Таблица 6.13 Перечень испытаний для оценки качества блоков н I ирных пород Наименование испытаний При геоло­гической При контроле качества на карьере и на камнеобра­батывающем заводе Разведке Текущем Периоди­ Ческом Определение прочности на сжатие + _ + Определение коэффициента снижения прочности горной породы при насыще­нии водой + + Определение морозостойкости + — +

При геоло­гической разведке

Текущем

При контроле качества на карьере и на камнеобра­батывающем заводе

Периоди­ Ческом

Наименование испытаний

Определение трещиноватости Контроль размеров и объемов блоков и качества их поверхности Определение пригодности блоков из изверженных горных пород для произ­водства изделий и материалов, приме­няемых в конструкциях, соприкасающих­ся с грунтом, путем испытания в раство­ре сернокислого натрия

TOC o "1-5" h z Определение декоративных свойств +

Камня

Определение истинной плотности горной +

Породы

Определение истираемости +

Определение петрографической характе - +

Ристики горной породы

Определение пористости горной породы +

Определение водопоглощения горной по - +

Роды

Определение прочности породы на рас - +

Тяжение и при изгибе

Определение отражательной способности +

породы после полировки Определение трещин внутри блока (ультразвукоскопия)

Примечание. Знак « + » означает, что испытания проводят, знак «-»— не проводят.

Площадь каждого основания цилиндрических образцов вычисляют по среднему арифметическому значению двух взаимно перпендикуляр­ных диаметров, а площадь поперечного сечения образца, принимаемую за окончательную, вычисляют как среднее арифметическое значение площадей нижнего и верхнего оснований цилиндрического образца. Площадь нижней или верхней грани образца кубической или прямо - угольнопараллелепипедной формы вычисляют по средним арифметиче­ским значениям длины каждой пары параллельных ребер данной грани, а площадь поперечного сечения такого образца определяют как среднее арифметическое площадей нижней и верхней граней.

Объем испытываемого образца определяют как произведение средней высоты на среднюю площадь поперечного сечения. При выполнении испытаний обязательным является соблюдение темпера­турного режима (20 ± 5° С).

Очень важно при испытаниях соблюдать порядок и технологию отбора проб при геологической разведке месторождений. Для опре - 174
деления физико-механических свойств породы отбирают образцы из скважин в виде столбиков керна диаметром не менее 40 мм и длиной не менее чем в 2 раза превышающей его диаметр, в количестве, достаточном для изготовления не менее 25 образцов цилиндров, высотой, равной диаметру керна. Из других разведочных выработок пробы отбирают в виде штуфов размером не менее 20x20x20 см в количестве не менее 10 штук. Получение пробы в количестве 25 образцов —цилиндров желательно из петрографически однородной части разреза залежи, но если это невозможно, то допускается составлять пробу из материала аналогичных слоев соседних скважин. Кроме этого, для определения отражательной способности камня после полировки с использованием блескомера НИИКС-БМ-3 необ­ходимо отобрать в карьере пробной добычи не менее 3 образцов каждой разновидности в виде штуфов размером не менее 30 х 30 х 30 см. Из этих образцов изготовляются полированные плитки, допускается полировка граней кубика. Штуфы могут отбираться путем откола камня от добытого блока, а также из крупных кусков камня, отделившихся от массива при получении этих блоков.

Если испытания проводят на камнеобрабатывающем предприятии, то пробы отбирают в виде штуфов размером не менее 30 х 30 х 30 см из технологических отходов, образующихся при обработке блоков.

Очень важным фактором оценки качества блоков является кон­троль размеров блоков и шероховатости их поверхности. Сущест­вующие стандарты допускают использование при определении раз­меров блоков следующий измерительный инструмент: поверочный угольник, измерительная металлическая линейка, поверочная линейка, измерительная металлическая рулетка, щуп, а также измерительный шаблон, показанный на рис. 34.

Линейные размеры блоков I — III групп определяют с погреш­ностью до 20 мм, погрешность размера блоков IV—V групп составляет 10 мм. Объем блока вычисляют по размерам вписанного

А

Рис. 34. Измерительный шаблон для определенна линейных размеров блоков 175

Рис. 35. Шаблон для измерения неров­ностей скола лицевых поверхностей блоков

ФЮ

О о ооооооо ооооооооо оо ооооооо ооооооооо оооооооо ооооооооо ооооооооо

Ооооооооо

100

------ ооооооо

Ж

Прямоугольного параллелепипеда, результат вычисляют до второго знака после запятой для блоков I — IV групп и до третьего знака для блоков V группы.

Определение размера отклонения углов смежных граней блока от прямого угла выполняется прикладыванием к длинным граням блока угольника и измерением при помощи линейки или щупа величины образовавшегося просвета.

Глубину впадин и высоту выступов на гранях блока рекомендуется определять при помощи щупа или линейки по высоте наибольшего просвета под линейкой, накладываемой на грань блока по диагонали и периметру. Их можно также определить при помощи шаблона, изготовленного из листа органического плоского стекла, в котором по квадратной сетке 10x10 см пробурены ячейки-отверстия для введения щупа при замерах. Образец шаблона для замера неровностей граней лицевых поверхностей блока показан на рис. 35. у Неровности сколов лицевых поверхностей блока при замере их по просвету цод линейкой вычисляются как арифметическое среднее значение 5 (см), а при замере их плоскостным шаблоном по формуле

2п-1 2л

I 5,- £5|

/»і

5=

	І= і
(6.9)

Где 2л—1— число измерений впадин; 2л — число измерений выступов; л—число высот неровностей. Неровность же скола определяется по формуле арифметической среды, см.

5і + 52 + 5з + ...-і-5|

(6.10)

5,=

Где 5,, 52, 53, — результаты измерений неровностей; /—число

Замеров.

Длину и глубину сколов ребер и скола отбитого угла', по ребру блока измеряют с погрешностью до 1 мм металлической линейкой.

Трещины, просматриваемые на двух смежных гранях, и тонкие извилистые трещины на мраморе определяются визуальным осмотром.

К облицовочному камню предъявляются высокие требования в части определения физико-механических свойств и первоочередно прочности на сжатие.

При испытаниях породы на прочность в сухом и насыщенном водой состоянии используется обычная аппаратура: гидравлический пресс; сосуд для насыщения образцов водой; поверочный угольник 90° и штангенциркуль.

Определение прочности на сжатие как в сухом, так и водонасыщен­ном состоянии проводят на пяти образцах кубической формы с ребром кубика 40 — 50 мм или цилиндрах диаметром и высотой 40 х 50 мм. При этом каждый образец тщательно очищается щеткой от рыхлых частиц, пыли и высушивается до постоянной массы. Грани образцов, к которым прикладывают нагрузку, тщательно обрабатывают на шлифовальном круге, обеспечивая при этом параллельность граней, а правильность формы образцов проверяют стальным угольником. Если порода имеет выраженную слоистость, то оси образцов, по направлению которых прикладывается нагрузка на сжатие, должны быть перпендикулярны к направлению слоев породы. Образцы маркируются стрелкой, которую наносят перпендикулярно к сло­истости.

Размеры образцов измеряют штангенциркулем. При испытании образец устанавливают в центре опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей верхней грани образца. Нагрузка при раздавливании образца должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение в течение 1 мин после начала испытаний, при этом значение разрушающего усилия пресса должно составлять не менее 10% предельно развиваемой прессом нагрузки.

При испытании породы на прочность в водонасыщенном состоянии образцы после измерения штангенциркулем опускают в сосуд с водой комнатной температуры, при этом уровень воды должен быть выше верха образца не менее чем на 20 мм. Образцы пропитываются водой в течение 48 ч, после чего их вынимают, вытирают мягкой тканью и каждый образец подвергают испытанию на прессе по вышеизложенной методике.

Прочность образца на сжатие <тсж вычисляют с точностью до 1 МПа по формуле

Где Р—разрушающее усилие пресса, Н; —площадь поперечного сечения образца, см2.

Окончательное значение прочности породы на сжатие определяется как среднее арифметическое значение результатов испытания пяти образцов.

Коэффициент снижения прочности породы на сжатие при насыще­нии водой С вычисляют по формуле

(6.12)

Стс*.»/Oi

Где асж. — средняя прочность породных образцов насыщенных водой, МПа; стсж с—средняя прочность породных образцов, высушенных до постоянной массы, МПа.

При испытаниях на морозостойкость облицовочных горных пород используется аппаратура: холодильная камера, обеспечивающая тем­пературу минус 17—25° С; настольные гирные или циферблатные весы; сушильный электрошкаф; гидравлический пресс; ванна для насыщения водой и оттаивания образцов.

Морозостойкость горной породы определяют на образцах кубиче­ской формы с ребром 40 —50 мм или цилиндрах диаметром и высотой 40— 50 мм.

Образцы горных пород укладывают на решетку и помещают в ванну с водой температурой 20 ± 5° С так, чтобы уровень воды в ней был на 20 мм выше верха образцов. Пропитку образцов водой производят 48 ч, после чего воду из ванны сливают и ванну с образцами помещают в холодильную камеру. Температуру в хо­лодильной камере доводят до минус 17—25° С. Продолжительность одного выдерживания образцов в камере должна составлять 4 ч. После этого в ванну с образцами наливают воду температурой 20 ±5° С и выдерживают в ней образцы до полного оттаивания, но не менее 2 ч. Далее циклы испытания повторяют. После 15, 25 и 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания берут по пять образцов и подвергают испытанию на сжатие по вышеописанной методике.

•100,

(6.13)

Где осж—среднее арифметическое значение прочности на сжатие пяти образцов в насыщенном водой состоянии, МПа; а'ск — среднее ариф­метическое значение прочности на сжатие пяти образцов после испытания их на морозостойкость, МПа. В случае, если потеря прочности 5 образцов при сжатии после попеременного замораживания и оттаивания не превышает 20% при установленном числе циклов, облицовочная горная порода отвечает соответствующей марке по морозостойкости, а если потеря превышает 20%, то не соответствует. Высокопрочные горные породы, используемые для производства облицовочных материалов, применяемых в конструкциях, соприкаса­ющихся с грунтом, испытывают на солестойкость в растворе сернокислого натрия. Для этих испытаний используется аппаратура: сушильный электрошкаф; щетка; настольные гирные или циферблатные 178

Потерю прочности образцов А (%) рассчитывают по формуле
весы; металлический сосуд для насыщения образцов раствором сернокислого натрия. Испытания проводят на пяти образцах таких же, как и при испытании на морозостойкость. При этом каждый образец обязательно очищается от рыхлых частиц, высушивается до постоянной массы. Его массу определяют взвешиванием на весах. Для испытаний применяется порошок сернокислого натрия или кристаллический сернокислый натрий. На 1 л дистиллированной воды берут 250—300 г безводного порошка сернокислого натрия или 700—1000 г кристаллического сернокислого натрия. Дистиллированная вода перед опусканием в нее сернокислого натрия должна быть подогретой. Для лучшего растворения сернокислого натрия раствор перемешивают, затем его охлаждают до комнатной температуры, сливают в бутыль и оставляют в покое на 2 сут. Затем образцы укладывают в сосуд, заливают раствором сернокислого натрия так, чтобы образцы полностью в него погрузились и выдерживают их в течение 20 ч при комнатной температуре. После этого раствор сливают, а сосуд с образцами помещают в электросушильный шкаф, температура в котором должна быть 105—110° С. Затем образцы охлаждают до комнатной температуры. Эту операцию в указанной последовательности повторяют 10 раз. После 10 циклов испытаний образцы промывают горячей водой для удаления сернокислого натрия, высушивают до постоянной массы и определяют их массу взвешива­нием на настольных весах.

Потерю массы образцов Ат (%) при испытаниях породы на солестойкость вычисляют по формуле

Ат = т---— ~- • 100, (6.14)

Ш,

Где т1—масса образца до испытания, кг; т2 — масса образца, высушенного до постоянной массы после испытания, кг.

Для облицовочного камня очень важно иметь петрографическую характеристику породы, которую устанавливают на основании гео­логической документации всех разведочных и эксплуатационных выработок, также имеющихся на месторождении естественных и ис­кусственных обнажений с учетом результатов петрографических ис­следований Образцов, приготовленных из исходных геологических проб.

Макроскопическое изучение проводят на свежем изломе горной породы, по которому определяют следующие показатели: структуру и текстуру; цвет и окраску; излом; минералопетрографический состав с указанием примерного содержания породообразующих минералов; характер вторичных процессов. Для кварцесодержащих пород опре­деляют количество кварца, крупность его зерен и характер его распространения среди других породообразующих минералов. Харак­теризуя структуру и текстуру породы указывают степень спайности минералов и анизотропные свойства, наличие нарушений сплошности среды (микротрещиноватость, кливаж, стилолитовые швы и т. д.). Микроскопическое изучение проводят общепринятыми в петрографии методами. При слоистости, флюидальности и подобных текстурах из­готовляют шлифы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Для гигантозернистых и крупнообломочных горных пород изготовля­ют отдельные шлифы из кристаллов, обломков и цементирующей мас­сы. Микроскопическое изучение шлифа включает: описание минера­лопетрографического состава, описание структуры и текстуры, опре­деление кристаллических констант, определение породообразующих компонентов, описание вредных примесей, описание и количественное определение вторичных явлений (выщелачивание, прожилки и т. д.), характеристику микротрещиноватости породообразующих минералов, а также описание вкрапленности и тонкорассеянных выделений.

Важной характеристикой облицовочного камня является истинная плотность горной породы. Для ее определения используют аппаратуру: пикнометр вместимостью 100 мл; настольные весы; лабораторные весы; стаканчик для взвешивания или фарфоровая чаша; фарфоровая ступка; эксикатор; сушильный электрошкаф; песчаная ванна или водяная баня; щетка.

Для испытаний отбирают куски камня общей массой не менее 1 кг, которые очищают щеткой от пыли, измельчают до крупности менее 5 мм, после чего перемешивают и сокращают квартованием пробу примерно до 150 г. Полученную пробу вновь измельчают до крупности менее 1,25 мм, перемешивают и квартованием уменьшают до 30 г. Затем приготовленную пробу измельчают в порошок в фарфоровой ступке, насыпают в стаканчик или фарфоровую чашку для взвешивания, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе над концентрированной серной кислотой или над безводным хлористым кальцием, после чего отвешивают две навески массой по 10 г каждая.

Каждую навеску насыпают в чистый высушенный пикнометр и нали­вают в него дистиллированную воду в количестве, заполняющем пикно­метр не более, чем на половину его объема. Слегка наклонив пикнометр, ставят его на песчаную ванну или в водяную баню и кипятят его содержимое в течение 20 мин для удаления пузырьков воздуха. Пузырьки воздуха могут быть также удалены путем выдерживания пикнометра под вакуумом в эксикаторе. После удаления пузырьков воздуха пикнометр обтирают мягкой тряпочкой, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают его, наполняют дистиллированной водой до метки и взвешивают.

Истинную плотность горной породы вычисляют по формуле И1р.

Р =--------- —----- 100, (6.15)

Т + т[ + т2

Где т — навеска порошка, высушенного до постоянной массы, г; т1—масса пикнометра с дистиллированной водой, г; т2 — масса 180

Пикнометра с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г; р„—истинная плотность воды, равная 1 г/см3.

Расхождение между результатами двух определений не должно превышать 20 кг/м3. Окончательное значение плотности определяют как среднее арифметическое. Для определения средней плотности облицовочной горной породы используют настольные весы, сушиль­ный электрошкаф, щетку. Определение средней плотности выполняется по пяти цилиндрическим или кубическим образцам, которые тща­тельно очищают щеткой от рыхлых частиц, пыли и высушивают до постоянной массы. Высушенные образцы взвешивают на настоль­ных весах. Измеряют размеры образцов и определяют их объем.

(6.16)

Среднюю плотность породы (кг/м3) по образцу вычисляют по формуле

Уо = т1У’

Где т — масса образца, кг; V—объем образца, м3.

Среднюю плотность горной породы определяют как среднее арифметическое значение по результатам испытаний пяти образцов.

Пористость породы Р (%) вычисляется расчетным путем по данным предварительно установленных значений истинной плотности и средней плотности породы, пользуясь формулой

(6.17)

Для облицовочных горных пород очень важно иметь харак­теристику водопоглощения. Для его определения необходимо иметь настольные весы, сушильный электрошкаф, щетку и сосуд с деревянной решеткой для насыщения образцов водой.. Для определения водопог­лощения породы отбирают пять образцов цилиндрической или кубической формы, которые тщательно очищают от рыхлых частиц и пыли щеткой и высушивают до постоянной массы. После полного остывания на воздухе образцы взвешивают на настольных весах. Затем образцы укладывают в сосуд с водой комнатной температуры (15—20° С) в один ряд так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов на 20 мм и выдерживают их в воде 48 ч. После этого образцы вытягивают из сосуда, вытирают влагу с их поверхности и каждый образец взвешивают. Массу воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, включают в массу насыщенного водой образца.

Водопоглощение породы 1Упог„ (% по массе) вычисляют по формуле

Т. —т

■100,

Погл

Т

(6.18)

Где т — масса образца в сухом состоянии, кг; ш,—масса образца в насыщенном водой состоянии, кг.

Водопоглощение горной породы вычисляют как среднее ариф­метическое по результатам пяти испытаний.

При добыче блоков облицовочного камня приходится преодолевать сопротивление пород растяжению, сдвигу и изгибу. От предела прочности облицовочных пород на растяжение зависят технологические параметры добычи блоков, поэтому определению этого показателя придается большое значение. Горные породы являются анизотроп­ными, поэтому цилиндрические образцы для испытаний на растяжение являются непригодными, так как они характеризуются при наличии осевой нагрузки однородным напряженным состоянием в сечении.

Поскольку коэффициенты упругости и характеристики прочности в трех взаимно перпендикулярных направлениях для горных пород неоди­наковы, образцы, предназначаемые для испытаний на растяжение, дела­ют не цилиндрическими, а призматическими. Причем для облицовоч­ного камня эти образцы изготовляют таким образом, чтобы его грани были параллельны слоям. Обычно образцы вырезают из породы так, чтобы одну грань образовала плоскость слоя, а другая грань была перпендикулярна и пересекала эти слои. Такой вариант изготов­ления образцов обеспечивает возможность измерения поперечных деформаций в направлении как перпендикулярном, так и параллельном слоям. Допускается изготовление образцов прямоугольного сечения.

При испытаниях на разрыв ни в коем случае нельзя допускать возникновение изгибающих напряжений, которые возникают как правило из-за несоблюдения предельной симметрии при изготовлении образца, эксцентричным приложением нагрузки по отношению к оси образца по причине неправильной его установки в захваты или концентрацией напряжений при использовании образцов с надрезами.

При увеличении эксцентриситета и наклона равнодействующей к оси образца изгиб усиливается. Изгиб тем больше, чем длиннее образец и чем меньше его поперечное сечение. Образцы крепят перед испытанием специальными зажимами, конструкции которых к сожалению далеко не все являются совершенными. Наиболее подходящими являются призматические бруски толщиной 70 мм. Машины для испытаний на растяжение пород должны быть до­статочно чувствительными к фиксированию малых нагрузок.

Вычисление временного сопротивления породы растяжению произ­водится по величине нагрузки в начале разрушения образца.

Существуют и другие методики испытаний пород на разрыв, такие как методика ИГД им. А. А. Скочинского, метод К. В. Руп - пенейта, базирующийся на испытании круговой пластинки породы на изгиб при нагружении штампами различной формы, приложенными в ее центре, а также ряд других методик. Но все методы очень трудоемкие и не обеспечивают для облицовочных пород высокой точности, особенно это относится к высокопрочным породам. Харак­теристики сопротивления на растяжение необходимы при обосновании параметров технологии отделения камня от массива гидрораскалы­вающими устройствами и невзрывчатыми разрушающими средствами. 182

Временное сопротивление сдвигу (скалыванию), как правило, определяют при испытаниях на срез или на кручение. Основой прибора для испытаний на одиночный срез со сжатием являются две 2-образные плиты и несколько пар клиньев, набор которых дает возможность устанавливать образец для испытаний на срез под углами от 20 до 70 С с интервалами через 5°. Схема срезывания образца показана на рис. 36.

Нормальные о и касательные т напряжения, действующие в плос­кости среза, вычисляют по формулам

(6.19)

Ст =—(соб а 4- Кір біп а), 5

(6.20)

Т = — (біп а — Ктр соб а), а

Где Р—усилие, развиваемое прессом, Н; 5—площадь срезывания образца, см2; Ктр — коэффициент трения качения при наличии катков в прессе или коэффициент трения покоя при отсутствии катков и смазки; а — угол установки образца, градус.

Полное напряжение ст0, действующее на площадке среза, определя­ется по формуле

(6.21)

Ст0 = /стг + т2-

Образцы одного и того же камня испытывают при двух углах наклона, тогда временное сопротивление сдвигу /?еяи определяют по формуле

/»!біп (а2 — а,) Р1 сое а, — Р2 сое а2

Р Р'2

В формуле (6.22) Р1=—, Р2=—, где Р и Р'2— усилия, передаваемые S, S2

Кубику породы прессом соответственно при углах наклона а, и а2, Н; Sj и S, — соответственно площади среза при тех же углах наклона, см.

Можно также вычислить коэффициент внутреннего трения ц, пользуясь выражением

P. sin а, — Р-, sin а,

—~т—• <6-23>

Pl cos а, — Р2 cos а2

Достоинством этой методики является возможность производить испытания на срез при различной ориентации образцов по отношению к напластованию. Существуют и другие методики определения сопротивления породы на сдвиг, которыми геологи пользуются сообразуясь с возможностями лабораторий. Характеристики сопротив­ления породы на сдвиг необходимы для обоснования технологических параметров добычи блоков с применением гидроклиньев.